某电厂SCR脱硝系统流场优化

吴宇星，张晋滔，朱曙光，方俊

(1.南京理工大学能源与动力工程学院，南京 210094；2.苏州科技大学，江苏 苏州 215009)

氮氧化物是主要的大气污染物之一，它会对环境造成严重的危害。根据最新的排放标准，燃煤电厂进行超低排放后NO的排放质量浓度限值应低于50 mg/m3[1]，这就要求在烟气排放前对烟气进行脱硝处理。选择性催化还原(SCR)脱硝技术成熟，脱硝效率能达到80%～90%，远高于其它方式，在火电厂烟气脱硝中应用广泛[2]。当前SCR脱硝技术在应用过程中面临脱硝设备在运行一段时间后出现脱硝效率降低和氨逃逸率升高等问题。原因是反应器烟道内部烟气流速不均匀，导致烟气与还原剂在进入催化剂层前未能充分混合。通过对脱硝反应器进行流场优化能有效减少上述问题的发生[3]。本文针对某电厂脱硝烟道喷氨格栅前及首层催化剂层前烟气速度分布不均的问题，用数值模拟的方法，在原有流场方案的基础上通过添加部分导流板，以及更换导流板样式，使得经过流场优化后的反应器在不同工况下均能满足喷氨格栅前及首层催化剂层前烟气速度相对标准偏差小于15%的工程要求。

1 数值模型

1.1 研究对象及几何模型

某电厂600 MW机组每台锅炉配置两台SCR脱硝反应器，反应器以锅炉中心线镜像布置，故仅以单侧反应器作为研究对象。取省煤器出口至空气预热器入口处作为计算区域，以1∶1的比例在SOLIDWORKS软件中建立SCR脱硝反应器的三维几何模型，考虑到导流板和整流格栅等装置的壁面厚度远小于流场尺寸，建模时将其作为无厚度壁面处理SOLIDWORKS中完成建模后将其导入ICEM软件，SCR系统现有导流板设计安装图如图1所示。

图1 SCR系统现有导流板设计安装图

1.2 网格划分

在ICEM中对模型进行网格划分工作，由于反应器整体几何模型较为复杂，将其拆分为多段几何模型简单的小段进行网格绘制，对于较为规则的反应器烟道区域采用结构化网格绘制，能够提高计算精度，减少计算工作量。第三组挡板区域结构较为复杂，采用非结构化网格绘制，用Interface面将各段网格相连接。针对喷氨格栅、导流板等流场变化较大的区域进行适当的网格加密。在计算过程中逐步加密网格得到近似网格无关解。最终网格数量585万个。

1.3 边界条件及控制方程

采用速度入口边界条件，将入口划分为4×11个均匀区域，反应器速度入口划分如图2所示。对各入口分别赋以实测速度值，烟道壁面和内部导流板等采用标准壁面函数处理，催化剂层设置为多孔介质模型，压力速度耦合采用SIMPLE算法，烟气在反应器内的湍流流动模型采用标准的k-ε方程[4]。其k方程和ε方程分别为：

图2 反应器速度入口划分

(1)

(2)

1.4 评价标准

为了评价烟气在喷氨格栅前和首层催化剂层前的速度场均匀性，常采用相对标准偏差这一衡量尺度。速度相对标准偏差的定义是在某一截面云图随机截取若干点进行数据处理获得样本点的速度值xi(i=0，1，2……n)，然后用公式(3)和(4)进行计算[6]：

(3)

(4)

(5)

2 模拟结果与讨论

2.1 现有SCR系统方案的模拟结果

基于fluent对电厂现有的导流板布置方案进行模拟，以机组在输出功率为475 MW时所测得的反应器入口风速作为模拟时的入口速度。反应器入口风速见表1，从上至下为测点距离入口顶端的距离。初始结构喷氨格栅前速度分布如图3所示，初始结构首层催化剂层前的速度分布如图4所示。

图3 初始结构喷氨格栅前速度分布

表1 反应器入口风速 m·s-1

图4 初始结构首层催化剂层前的速度分布

由表1可以看出，由于采用非均匀来流条件，反应器入口风速差异较为明显，A9一列烟气速度较周围速度明显偏高。水平烟道在入口端不远处存在一个向锅炉一侧的偏折角，加之喷氨格栅布置在水平烟道处，没有采取通常布置在第一个90°拐角后的竖直烟道处的做法，这些都会使喷氨格栅前烟气速度分布不均。从图3中可以看到在靠近锅炉一侧(即图3的右侧)存在明显的低速区域。烟气流速呈现格栅式分布，部分区域上方和下方存在明显的低速区域。烟气流速呈现格栅式分布是由于截面后的喷氨格栅对烟气流动起到了阻碍作用，中间部分上方区域和下方区域出现低速区是由于入口处上方和下方的入口速度过低。通过计算，喷氨格栅前截面处的烟气流速相对标准偏差为17.84%，高于15%的工程要求。喷氨格栅前不均匀的速度场会导致还原剂NH3与NOx的混合不均匀，同时喷氨格栅前速度场不均匀也会进一步加剧首层催化剂层前速度场的不均匀性，从而使整个反应器的脱硝效率降低，氨逃逸率升高。从图4中还可以明显看出，烟气的高速区域呈现条状分布，最左侧存在低速区域，从左往右烟气流速分布总体呈现逐渐减小的趋势。左侧低速区域的存在是由于烟气经过第二组挡板后方的水平烟道后，烟道面积突然增大，在流体流动惯性的影响下，左侧区域出现了低速涡流区域。高速区域之间存在的条状低速区域一方面是由于弧形导流板布置数量较少，未能均匀的分流烟气，另一方面是因为采用圆弧形导流板使得导流板末端存在低速涡流区域。由于大部分烟气经过导流板导流转向，使得到达反应器外侧(即图1或图4右侧)烟气较少，烟气流速较低。经过计算，在初始情况下首层催化剂层前的烟气速度相对标准偏差达到17.12%，不满足工程上的低于15%的要求。催化剂层前速度场的不均会导致催化剂磨损和堵塞等问题，进而影响整个系统的脱硝效率。

2.2 优化方案

基于上述分析，本文利用数值模拟对原有导流板的数量结构进行优化。由于入口端与喷氨格栅之间距离较短，并且各个入口的烟气流速差距较大，原方案导流板难以在较短距离实现烟气的充分混合。本文采用的优化方案为等距离布置12个与烟气流动方向呈现90°夹角的挡板，辅以两块平行于烟气流动方向的导流板的方案，入口段导流板优化方案如图5所示。催化剂层上方区域通过增加导流板数量，从原有的6块导流板增至11块，同时将弧形导流板替换为斜直板来实现流场优化，催化剂层上方导流板优化方案如图6所示。

图5 入口段导流板优化方案

图6 催化剂层上方导流板优化方案

2.3 优化方案模拟结果

按照图5和图6所示的导流板布置优化方案，优化后喷氨格栅前烟气速度分布如图7所示。通过在入口段均匀布置了与烟气流动方向垂直的挡板，起到了类似扰流器的作用，较好的对烟气进行了混合。从图7中可以发现，烟气的速度分布较之前更为均匀。AIG前截面中间部分之前存在的上下区域之间的低速区域得到了有效缓解，截面右侧存在的低速区域也得到了很大改善，经过计算，此时截面处烟气速度相对标准偏差降至13.92%，较之前下降了3.92%，满足工程中低于15%的要求。

图7 优化后喷氨格栅前烟气速度分布

经过优化后首层催化剂层前的烟气速度分布如图8所示，从图8中可以看到通过增加导流板数量，并将弧形导流板更改为折型导流板后，截面速度分布更加均匀。通过将导流板位置与烟道内侧壁面贴近，使得原来由于烟道面积扩大造成的低速涡流区域得到有效缓解，同时通过增大导流板数量，使得之前速度分布图上的条状低速区域大大减小。经过计算，通过流场优化后首层催化剂层前烟气速度相对标准偏差为11.37%，较前下降了5.75%，满足工程要求。

图8 优化后首层催化剂层前的烟气速度分布

2.4 不同运行工况下优化方案的模拟结果

为了考量优化后的导流板系统在不同工况下的适应情况，选取510 MW和572 MW两个运行工况来验证优化结果，两个工况的入口速度如同表1采用实测值。经模拟计算，510 MW工况喷氨格栅前速度相对标准偏差为13.75%，催化剂层前速度相对标准偏差为11.73%，572 MW工况喷氨格栅前速度相对标准偏差为13.63%，催化剂层前速度相对标准偏差为11.68%，均满足低于15%的工程要求。510 MW下喷氨格栅前烟气的速度分布如图9所示，510 MW下催化剂层前烟气的速度分布如图10所示，572 MW下喷氨格栅前烟气的速度分布如图11所示，572 MW下催化剂层前烟气的速度分布如图12所示。

图9 510 MW下喷氨格栅前烟气的速度分布

图10 510 MW下催化剂层前烟气的速度分布

图11 572 MW下喷氨格栅前烟气的速度分布

图12 572 MW下催化剂层前烟气的速度分布

3 结语

SCR系统内原有的导流板布置下，喷氨格栅前烟气速度相对标准偏差为17.84%，首层催化剂层前的烟气速度相对标准偏差为17.12%，均高于15%，需要通过添加导流板等方式对其内部流场进行优化，使之符合工程要求。

数值模拟表明，通过在入口段设置与烟气流动方向垂直的导流板，并将催化剂层上方的导流板更改为折型导流板，将催化剂层上方的导流板数量从一开始的6块添至11块，反应器喷氨格栅前和首层催化剂层前的烟气速度相对标准偏差均小于15%，该模拟结果对反应器后续进行流场优化改造具有较大的参考价值。