脱硝装置的模拟优化

SCR脱硝系统的模拟优化

1 引言

SCR脱硝装置优化设计与运行的关键在于如何尽可能保证反应器内烟气的流动场、温度场及反应物的浓度场（NH3/NOx）均匀分布，以保证较高的脱硝效率并降低氨逃逸[68]。通常从省煤器出口到SCR反应器入口的烟道设计与布置十分紧凑、急转弯多且烟道截面变化大，致使烟气速度和温度分部不均，难以保证烟气与氨气的均匀混合。在SCR装置中加装导流板能够有效的改善弯道内的流场，导流板的布置方案与工程系统结构有关。由于SCR装置设备庞大且系统复杂，若采用常规的试验台研究方法或对已投运装置进行试验,是即不经济也不现实的[68]。

近些年来，随着计算流体力学的快速发展，人们可以对复杂的换热、流动、混合和化学反应过程的进行数值预测，国内外众多研究学者都开始利用计算流体力学软件工具对流体力学问题进行深入的研究[69]。采用计算流体力学软件来模拟分析SCR脱硝系统，可以得到烟气流动特性、混合特性及化学反应特性，来优化改进SCR脱硝设备结构，使反应器内部流场更均匀，使烟气与还原剂混合更均匀，从而提高烟气脱硝效率。

本章主要阐述流场和反应物混合数值模拟分析原理并建立模拟计算烟气脱硝反应器流场和反应器中NH3与烟气混合效果的方法，并结合FLUENT软件及本文所研究SCR脱硝机组，对SCR脱硝反应器的几何模型、软件的设置方法和步骤进行了较详细的分析讨论。

3.2流场数值模拟方法

计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是对流体流动基本方程控制下流动问题的数值模拟，通过数值模拟，可以分析显示出流场内各个位置上的某些基本物理量的分布现象，能够在较短时间内预测流场。其基本过程：首先在空间上用有限体积法将计算域离散成若干小的体积单元，然后再在每个体积单元上求解离散后的控制方程。SCR脱硝反应器的流场计算包括控制方程的建立、控制方程的离散和控制方程的求解三个步骤。

3.2.1模型的假设

SCR烟气脱硝过程涉及到湍流流动、传热传质、化学反应、多组分输运等过程，混合气体流动必须要遵守质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。另外，由于流动处于湍流状态且包含着不同成分的混合，则遵守湍流输运方程和组分守恒定律[70，73]。对实际工况模型进行如下假设：

①SCR脱硝系统烟气进出口温度差别很小，假设系统为绝热系统;

② 烟气流动为定常流动；

③ 延期流动中物性参数为定值；

④ 由于烟气中灰分很少，因此烟气中的灰分的影响不加以考虑；

⑤ 在上游烟道中发生的化学反应量非常少，可以不加考虑；

⑥ 烟气个组分与还原剂气体为理想气体；

⑦ 烟气在催化剂层中的流动只考虑层流流动[74]，其湍流的生成与影响不考虑; ⑧ 实际系统漏风较小，因此不考虑系统的漏风；

3.2.2控制方程的建立

① 湍流模型

SCR 脱硝系统内的烟气流动是三维的湍流流动，实际工程应用中对SCR 内部流场的数值模拟计算，主要是基于求解Reynolds 时均化方程及关联量的输运方程的湍流模拟方法，即应用湍流模型。本章选用标准的k ε-微分模型：

()()()()x y z v v v t x y z

S x x y y z z φφφφρφρφρφρφφφφ∂∂∂∂+++=∂∂∂∂⎛⎫∂∂∂∂∂∂⎛⎫⎛⎫Γ+Γ+Γ+ ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭⎝⎭

⎝⎭

采用散度表达出通用形式： ()()()div div grad S t

φρφμρφφ∂+=Γ⋅+∂ 其中， μ为动力粘度系数；S φ和φ分别广义源项和通变量； ρ为混合气体密度；u 为速度矢量；k ε-模型控制方程所对应的φ、Γ和S φ的表达式见下表：

② 物质输运模型

SCR 反应器中流动介质成分含有烟气和氨气等不同组分，烟气为多种物质组成，因此流动过程涉及到物质混合情况研究。常常采用混合物的物质输运模型来模拟计算多种气体成分同时发生的化学反应的过程。根据化学物质的守恒方程，得到第i 种物质的对流扩散方程来计算每种物质的质量分数Y i 的通用方程，如下表达：

()()i i i i Yi vY J R S t

ρρ∂+∇=-∇++∂ 其中，i R 为化学反应速率；i J 是物质i 的扩散通量；

湍流中计算质量扩散量如下形式：

,t

i t m i t J D Y Sc μρ⎛⎫=-+∇ ⎪⎝⎭

其中t Sc 是湍流施密特数，缺省设置值为0.7。

③ 多孔介质模型

蜂窝式和板式催化剂结构是最常见的，一般单块尺寸约为1×1×2m 3。多孔介质就是固体物质形成的骨架与由骨架分隔而形成的大量密集成群的微小空隙所构成的结构。当使用此模型时，就规定了一个多孔介质的单元区域，且流动的压力损失是由多孔介质的动量方程中所输入的内容来确定。因为多孔介质模型结合模型区域所具有的阻力的经验公式被定义为“多孔”。事实上就是在动量方程

中附加的动量损失而已，因此，模型就会有很多的限制[78]:

(l)流体通过介质时不会加速，因为实际上出现的体积阻塞并没有在模型中出现。这对于过渡流具有很大的影响，因为它意味着FLUENT 不能正确的描述通过介质的过渡时间。

(2)多孔介质对于湍流的影响只是近似的，在多孔介质中，默认的情况下FLUENT 会解湍流量的标准守恒方程。

多孔介质的动量方程中附加的动量源项表示为：

33

1112i ij j ij j j j j S D v C v v μρ===+∑∑

其中S i 是i 方向上(x,y,z)的动量源项，D 和C 为规定的矩阵。

3.2.3 控制方程的离散及求解

网格的划分是离散的基础，即离散化物理量的存储位置，在离散过程起着关键的作用，网格的形式和密度对数值计算的结果有重要的影响。SCR 脱硝反应器模型为三维模型，首先将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围具有一个互不重复的控制体积，然后按要求求解的控制方程对每一个控制体积进行积分，而得出离散方程组。本文采用一阶迎风格式对控制方程离散。

对离散后的控制方程进行求解可分为耦合式解法和分离式解法，工程最常用的为压力耦合方程组半隐式方法(SIMPLE 算法):采用“猜测—修正”算法，在交错网格基础上计算压力场，求解离散动量方程，若计算不收敛，则重新修正压力场的给定值，进行下一次的计算，直到得到收敛解为止[]。本文控制方程的求解采用SIMPLE 算法。

3. 3 600MW 机组的SCR 脱硝系统模拟分析

本文以某电厂600MW 超临界燃煤机组的SCR 脱硝系统作为研究对象。该机组锅炉为超临界变压直流、一次中间再热、单炉膛、四角切圆燃烧、固态排渣的燃煤锅炉，煤种采用山东某地区混合煤。机组安装的SCR 脱硝系统主要脱硝的反应器、氨储存罐、氨喷射器、导流板、吹灰器和整流系统等组成，其中氨喷射器布置在反应器的入口烟道内。每台机组安装两个SCR 脱硝反应器，每个反应器处理锅炉烟气总量的50％，反应器安装在省煤器与空气预热器之间的烟道上，属于高温高尘布置，工作温度能够满足反应所需温度，且脱硝装置没有设置烟气旁路系统。SCR 烟气脱硝系统设计的脱硝效率为85%，氨逃逸量控制在5ppm 以内，超过报警。由于每台机组的两个SCR 脱硝反应器的几何结构和工作条件完全相同，催化剂采用模块化设计的蜂窝式结构的V 2O 5-TiO 2，规格统一，具有互换性。所以

本文仅对其中一个反应器进行模拟优化分析。

3.3.1SCR 模型结构参数