330MW燃煤机组SCR脱硝系统流场数值模拟

330MW燃煤机组SCR脱硝系统流场数值模拟
发布时间：2021-07-02T14:12:28.910Z 来源：《中国电力企业管理》2021年3月作者：康泽如
[导读] 利用CFD软件对某330MW燃煤机组SCR脱硝系统进行数值模拟，并对其流场进行分析。

发现在设置导流装置前，反应器第一层催化剂进口截面上的速度相对偏差高达69.78%，而设置导流装置后第一层催化剂进口截面上的速度相对偏差减小到8.50%，小于设计规范要求的15%，速度不均匀性得到大大改善。

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摘要：利用CFD软件对某330MW燃煤机组SCR脱硝系统进行数值模拟，并对其流场进行分析。

发现在设置导流装置前，反应器第一层催化剂进口截面上的速度相对偏差高达69.78%，而设置导流装置后第一层催化剂进口截面上的速度相对偏差减小到8.50%，小于设计规范要求的15%，速度不均匀性得到大大改善。

此外，喷氨格栅前布置多孔板有助于提高喷氨格栅区域的流场均匀性。

关键词： SCR；流场分析；速度偏差；数值模拟
0引言
根据国家相关文件要求，某电厂于2012年～2014年对4×330MW燃煤机组进行了脱硝改造。

脱硝装置采用选择性催化还原法（SCR），还原剂选用液氨，高含尘布置。

脱硝改造后，整体脱硝效率满足设计要求，机组烟气氮氧化物排放浓度符合不大于100mg/Nm3 [1]的要求。

随着政府对环保指标要求的不断提高，又于2015年～2017年对4×330MW燃煤机组进行了超低排放改造，改造后经环保评估，可以达到NOX排放浓度不大于50mg/Nm3的目标。

由于脱硝装置为后期改造，受限于场地布置，脱硝系统的整体设计是否合理需进一步验证。

特别是SCR脱硝系统内流场分布的均匀性是检验脱硝系统设计合理性的一项重要指标，关系到脱硝系统的性能[2]。

本文利用计算流体动力学（CFD）分析软件，对BMCR工况下脱硝系统流场进行数值模拟计算，分析检验现有脱硝系统设计的合理性。

1 SCR系统模型
1.1几何模型
如图1所示，为便于建模和研究，选取了单侧SCR脱硝系统作为研究对象，模型范围为省煤器出口至SCR反应器出口水平段烟道，包含省煤器出口烟道及灰斗、SCR进口水平段烟道、SCR进口垂直段烟道、SCR反应器、SCR出口水平段烟道。

图 1 SCR脱硝系统模型示意图
1.2 网格划分
使用ICEM CFD软件进行SCR脱硝系统模型网格划分, 由于喷氨格栅和均流格栅模型细节多，无法自动生成质量符合要求的非结构化网格，故这两个区域采用六面体结构化网格，其他区域则采用非结构化的四面体的混合网格。

非结构化网格生成方法使用Robust(Octree)八叉树网格生成方法，并且在各壁面生成棱柱体边界层网格。

由于导流板的厚度只有几个毫米，相对于整个模型尺度可以忽略不记，因此导流板在几何模型中表现为一个面，同时在非结构化网格划分时将各导流板面设置为split wall。

由于导流板下游区域流场常常变化很大，同时为了改善该区域的网格质量，在各导流板头尾部位使用密度盒进行网格加密。

结构化网格区域与非结构化网格区域间采用interface方式进行关联。

2 CFD软件求解
为了既有利于数值模拟又符合SCR脱硝系统的实际运行情况，对计算模型进行如下假设和简化：
(1)假定整个SCR脱硝系统为绝热系统；
(2)假定烟气为不可压缩的牛顿流体；
(3)忽略飞灰对烟气流场的影响；
(4)假定烟气脱硝进口为均匀流，流动稳定，并且流动方向平行于进口平面法向；
(5)导流板和整流格栅厚度假设为零；
(6)忽略烟道内部支撑等构造对流场的影响；
(7)忽略漏风对系统的影响。

Fluent包含有两种求解器，分别基于压力和密度，本文中的研究对象为低速、不可压缩流体，因而选用基于压力的求解器。

粘性流模型选用标准ｋ-epsilon模型以及可扩展壁面函数。

设置烟气密度（BMCR工况下）为0.5424 kg/m3，动力粘度3.0918×10-5 Pa˙s。

设置催化剂层区域为多孔介质区域，设置各方向粘性阻力为0，Y轴方向惯性阻力为18.215 1/m，其他方向惯性阻力为3200 1/m[3]，孔隙率为
0.661。

设置进口边界条件类型为velocity-inlet，速度方向采用默认的进口平面法向，设置进口速度为4.497 m/s。

进口湍流条件采用湍流强度和水力直径方法，设置湍流强度为2.9636 %，水力直径为9.15 m。

出口采用outflow类型的边界条件。

多孔板平面选择porous-jump类型的边界条件，选择启用湍流壁面处理，设置多孔介质厚度为0.006 m，压力跃变系数为860.6 1/m。

选择SIMPLEC求解算法，各控制参数保持
默认值。

3计算结果与分析 SCR脱硝系统内烟气速度分布偏差较大时，速度较高的区域由于反应物的停留时间缩短，使得反应物不能反应完全，造成脱硝效率降低和氨逃逸率增加。

在数值模拟中，将BMCR工况下的脱硝系统流场情况作为评估分析对象，以SCR反应器中第一层催化剂进口截面的流场情况作为评价脱硝系统性能好坏的标准。

根据设计规程的要求，烟气流速偏差宜小于±15%[4]。

作为对照，同时对BMCR工况下未设置导
流板、整流格栅等整流装置的SCR系统进行数值模拟。

由图4(a)可以看到烟道内的气体流速分布十分不均匀。

由于在惯性作用下，经过弯头的烟气在进口垂直段会向后墙集中，出现后墙流速快、前墙流速低的现象。

而烟气经顶部弯头进入反应器后，大量烟气贴反应器后墙运动，由于反应器区域空间大，加上出口烟道截面缩小，烟气回流到前墙，使得在反应器中心区域形成了涡流。

如图4(b)所示，增加导流装置后，速度不均匀性得到了极大的改善。

进入反应器的烟气在经过均流格栅的矫正后，分布也变得更加均匀。

反应器第一层催化剂进口截面速度分布如图5所示，设置导流装置前速度分布十分不均匀，高速烟气集中在了后墙，前墙流速较低，中心区域流速最低。

整个截面的流速相对标准偏差高达69.78%，远远超过规范要求的15%。

大量的高速烟气会造成烟气在催化剂区域的停留时间无足以完成SCR反应，使得脱硝效率降低，氨逃逸增加。

而设置导流装置后速度分布的均匀性大幅改善，速度偏差主要存在前后墙方向上，靠近前后墙的区域流速较高，这与反应器顶部进口导流板的布置角度有关。

截面的流速相对标准偏差减小到8.50%，满足设计规程的要求。

如图6(a)所示，设置导流装置前大量烟气集中在了后墙区域，该截面的流速相对标准偏差为48.01%，过大的流速偏差将会影响NH3与烟气的混合均匀性，进而影响整体脱硝效率。

而图6(b)可以看到，烟气集中在后墙的现象消失了，该截面的流速相对标准偏差为9.66%，速度分布均匀性得到了大大提高，提高烟气流速分布的均匀性将有助于由喷氨格栅喷入的NH3与烟气均匀混合，降低NH3/NO摩尔比偏差。

此外，多孔板前截面流速（见图7）的相对标准偏差为17.37%，说明烟气经过多孔板后流速的均匀性得到进一步提高。

4结论
1)对在BMCR工况下设置导流装置前后的流场情况进行了比较，第一层催化剂进口截面烟气相对速度偏差分别为69.78％和8.50%，现有设计能很好地控制速度分布的不均匀性，满足15％的设计控制指标。

2)设置导流板、均流格栅、多孔板等是改善烟道内流场均匀性的重要手段，合理地布置导流板，可以大大降低流场速度分布的不均性，同时可以减少涡流的产生，降低因涡流产生的阻力。

参考文献：
[1]国家环境保护总局,国家质量监督检验总局.GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准[S].北京:中国环境科学出版社,2011.
[2]Bosch H,Janssen F.Catalytic reduction of nitrogen oxides-A review on the fundamental and technology[J].Catalysis Today,1988,20(4):360-531.
[3]肖育军，邹毅辉，李彩亭等. SCR系统结构模型与数值模型的适用性分析[J]. 中国电力,2019,3:146-152+160.
[4]国家能源局.DL/T5480-2013火力发电厂烟气脱硝设计技术规程[S].北京:中国计划出版社,2014.。