SCR法烟气脱硝装置流动数值模拟研究

　　摘要：对某电厂SCR装置烟气流动系统进行了模拟计算研究，研究结果表明，在SCR反应器的竖直上升烟道下转弯转向处设计3块弧—直形导流板，竖直上升烟道的渐扩段处设计9块直行板导流，在渐扩段出口设计19块直行板导流板，竖直上升烟道上转弯处设计3块直—弧—直形导流板，反应器入口设计41块直行导流板，可以得到满足设计要求的计算结果。模拟计算与实测值相吻合，具有应用价值。

　　关键词：SCR反应器数值模拟导流板

　　在SCR系统设计时，对于催化剂的选择，一般只要根据所要求的脱硝效率及其他相关要求，通过充分论证与比较进行合理选择即可。但对SCR反应器的外形结构、入口烟道尺寸、导流板的设置情况及烟道转弯直径等方面的设计需针对具体工程进行个性化设计，否则会影响反应器内烟气的速度场、温度场、氨氮摩尔比分布，从而导致脱硝效率不达标、催化剂活性下降及磨损报废，甚至导致机组非计划停机，影响机组安全稳定运行，所以流场组织是SCR法脱硝核心技术。SCR反应器流场特性研究的目的主要是通过SCR系统流场模拟试验，优化反应器内的设计，保证反应器内催化剂入口速度均匀;通过NH3/NOx模拟混合试验，优化喷氨格栅设计，保证催化剂入口断面混合分布均匀;通过SCR系统积灰模拟试验，检验系统积灰情况，测量烟气系统阻力，优化烟道及反应器设计，降低压力损失。

　　本文以某电厂200MW机组为例，对其SCR烟气流动系统进行了研究。为在顶层催化剂入口获得均匀的烟气流场，并使整个系统的阻力最小以及减少可能存在的积灰，将脱硝系统包括烟道、氨喷射系统、导流、混合及整流装置等作为一个整体，采用CFD数值模拟优化反应器布置方式、烟道结构及内部导流结构等。通过CFD流场模拟，进一步优化设计导流、均流、AIG的布置方式及尺寸，保证SCR烟气脱硝系统各截面的烟气流场分布均匀性，达到流动和混合最佳、总体阻力最小及不积灰目的。

　　1SCR反应器系统

　　某电厂200MW机组采用SCR法脱硝。脱硝装置设计时考虑了煤种、锅炉最大工况(BMCR)、处理100%烟气量、2+1层催化剂等。SCR反应器本体外形尺寸为5980mm×11920mm×9285mm，入口烟气量为89万m3/h。CFD模型建立从省煤器下部到空气预热器入口法兰，图1a为该工程初步设计阶段SCR系统的外形示意图。氨气/空气混合气由喷氨格栅喷射(如图1b所示)进入SCR脱硝系统烟道，与烟道中的烟气进行充分混合后进入SCR反应器，经催化剂作用，喷入的NH3与NOx反应生成H2O和N2，脱除NOx后的烟气由SCR出口烟道排出，进入空气预热器等下游各级辅机设备。

　　采用加装导流板的方式可使烟气进入催化剂层前分布尽量均匀，在每一个烟气流向改变处以及变径段均需设置导流板来保障气流的均匀性。导流板一般布置在调整管道的顶部和反应器的入口处，如图1a所示。此外，为保证脱硝效率，一般需在喷氨格栅前安装导流板以保证氨和烟气的充分混合(图1b)，在催化剂前安装整流格栅以保证烟气流经催化剂层的均匀性(图1a)。另外，导流板设置也需要考虑系统阻力的变化影响。

　　2数值模拟

　　2.1模型简化及数学模型

　　根据该工程的实际运行环境，在满足工程要求条件下，为便于模拟计算，对该SCR系统内烟气状况作如下假设和简化：①将烟气视为不可压缩牛顿流体;②假设省煤器进口处烟气速度分布均匀;③考虑到两个反应器的对称性，CFD模型只模拟单侧的一个反应器。CFD模型包括氨喷射格栅、催化剂层和烟道系统等;④应用多孔介质模型简化催化剂层压降;⑤在CFD模型中安装改变流场的导流板、整流层等;⑥在CFD模型中忽略一些对流场影响较小的内部构造(构架，梁等);⑦导流板的厚度相对烟道尺寸较小，模拟时假设其厚度为零。

　　在进行数值模拟试验过程中，数学模型的选取对计算结果起着至关重要的作用。数学模型的选取重点考虑以下几个方面：①流动现象的分析;②计算模型的使用范围;③计算结果准确性分析;④计算时间等。此次模拟主要针对流场的优化，为了在保证精度的前提下尽量减少计算量，采用气相湍流模型。

　　图1SCR反应器的几何模型

　　SCR装置烟气流场的控制方程式可表示为：

　　根据SCR装置内烟气流动时湍流的情况，采用标准k—ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动。采用物质输运模型来模拟烟气和氨气的混合情况。