某脱硝系统的 CFD 模拟设计

某脱硝系统的 CFD 模拟设计
吴岳胜;刘训志;周家勇;郭兰
【摘要】选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术因其脱硝效率高、运行可靠等优点，现已成为国内外应用最广泛的烟气脱硝技术之一。

结合某脱硝改造项目，利用FLUENT 数值计算软件，对 SCR 脱硝技术方案进行数值模拟计算。

通过对 SCR 系统全面研究，建立三维模型，对烟道、反应器、喷氨系统、氨烟气混合器、导流板以及催化剂层进行数值模拟。

通过模拟结果对导流板和烟道等进行调整，最终获得了较为满意的结构。

【期刊名称】《技术与市场》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】3页(P14-15,17)
【关键词】选择性催化还原;烟气脱硝;数值模拟
【作者】吴岳胜;刘训志;周家勇;郭兰
【作者单位】华西能源工业股份有限公司，四川自贡 643001;华西能源工业股份有限公司，四川自贡 643001;华西能源工业股份有限公司，四川自贡 643001;华西能源工业股份有限公司，四川自贡 643001
【正文语种】中文
研究表明，氨和烟气在进入SCR反应器前进行混合，如果混合得不充分，NOx和氨不能充分反应，NOx脱除率会有所降低，并且会增加氨的逃逸量，催化剂活性降低。

因此，脱硝反应物必须被雾化并与烟气尽量混合，以确保与NOx有足够的
接触[1]。

采用合理的喷嘴格栅，并为氨和烟气提供足够长的混合烟道，是使氨与烟气均匀混合的有效措施，并能够使得NOx脱除率、氨逃逸量和催化剂寿命得到保证。

本文利用FLUENT数值模拟软件对某4×330MW机组脱硝系统工程的烟道和反应器内部烟气流场进行数值计算，较为真实地反应实际运行中的各种状态，并对其进行性能分析，根据技术结果确定最佳的布置方式。

流体力学基本方程组包括连续性方程、运动方程、组分质量守恒方程、能量方程、本构方程、状态方程及通用形式守恒方程。

其通用形式为[2]：
式中，第一项为瞬变项或时间项，第二项为对流项，第三项为扩散项，Γφ为对应于变量φ的扩散系数，末项Sφ为函数φ的源项。

各方程在通用方程中的对应关系，见表1。

对脱硝装置空烟道进行建模模拟，观察流场形态，判断烟道中导流板布置位置；计算模拟导流板布置后流场形态，优化调整导流板布置方式，得到优化后的导流板安装位置，达到设计要求。

第一层催化剂前的速度分布：
入口烟气温度偏差<±10℃(相对于催化剂设计温度)
入口烟气流速偏差<±15%(所有测点，标准偏差)
<±30%(所有测点，绝对偏差)
入口烟气流向<±10° (垂直偏角)
入口NOx浓度<5%(标准偏差)
NH3/NOx摩尔比相对偏差<±10%(绝对偏差)
催化剂表面永久性飞灰覆盖率<5%
脱硝系统入口烟气参数，见表2。

根据以上烟气参数设置流场模拟边界条件[3]。

本文模拟了两种工况下的催化剂入口处的氨烟气浓度分布。

工况一：采用迷宫式氨/烟气混合器，无SCR反应，燃用设计煤种，100%BMCR
省煤器出口烟气温度385℃，其中转向室为三棱柱形状，第一层催化剂为备用层，第二层和第三层催化剂使用。

工况二：采用迷宫式氨/烟气混合器，无SCR反应，燃用设计煤种，100%BMCR
省煤器出口烟气温度385℃，其中转向室为三棱柱梯形状，第三层催化剂为备用层，第一层和第二层催化剂使用。

3.1 优化后布置的计算结果
计算无化学反应情况下，分析工况一和工况二整个反应器的流场分布，可以为有选择性催化还原反应的计算提供参考。

在修改了转向室形状和增加了挡板的情况下，速度场在烟道转弯处分布均匀；转向后没有现场涡旋和明显的速度不均的现象。

所有在使用的第一层催化剂上部速度极为均匀，工况一下的速度与竖向角度最大为9.16°；工况二局部区域角度超过设计要求值10°，最大角度为13.82°。

在使用迷宫式氨/烟气混合器后，混合效果很好，在局部调整10%的喷氨流量后，各个技术指标见图1～3。

若继续调整能够保证各个组分的技术指标达标。

3.2 优化布置的计算结果评估
采用上述所示优化设计方案，采用管式氨/烟气混合器，无SCR反应，工况一、二的计算结果评估如表3。

通过以上工况一与工况二的分析，得出本脱硝工程较优的一种布置方案应满足一下几点。

1)采用迷宫式氨/烟气混合器。

2)采用三棱柱形状的转向室。

3)将整流装置高度提高至与水平段下部齐平。

4)在适当区域增加挡板。

1)通过模拟计算可以看出，转向室为梯形结构时出现严重的流动不均匀现场，不符合工作要求。

转向室为三角形时流动较为均匀。

2)整流装置的位置对转向是否出现涡旋有明显的影响，整流装置的最佳位置应该与烟道下边缘齐平。

3)当出现扩口烟道和转向烟道时导流板对均匀十分关键。

4)氨/烟气混合器结构型式对混合距离和混合程度有明显影响，迷宫式氨/烟气混合器比管式氨/烟气混合器的混合效果好，但是迷宫式比管式阻力系数要高。

【相关文献】
[1] 中国大唐集团科技工程有限公司. 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M].北京:中国电力出版社.2009.
[2] 王福军．计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M]．北京：清华大学出版社，2004.
[3] 苏联热工研究所.锅炉机组热力计算标准方法[M].北京:机械工业出版社,1973.
吴岳胜(1987-)，男，四川人，本科，四川大学工程力学专业，主要从事锅炉CAE应力分析和CFD 流场模拟工作。