某燃煤锅炉外置式脱硝装置设计的模拟择优

北极星环保网讯:摘要：为满足国家“超洁净”排放要求，燃煤电厂烟气SCR脱硝装置必须进一步改造，即将原有的低氮燃烧器+单层反应器脱硝技术，改造成低氮燃烧器+外置式多层反应器深度脱硝技术。本文提出采用数值模拟方法对某220T/h燃煤锅炉外置式脱硝装置设计方案择优，达到提高烟气与脱硝还原剂混合效果并减小烟道阻力的目的。

关键词：外置式脱硝装置,数值模拟择优

引言：NOx是大气主要污染物之一，其中燃煤电厂排放的NOx约占NOx排放总量的70%以上。我国是以燃煤为主的国家，随着经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗量不断增加导致燃煤需求量不断增大，NOx的污染已成为一个不容忽视的问题。在燃煤电厂烟气NOx处理的若干技术中，选择性催化还原技术（SCR）以高NOx脱除率、技术成熟可靠、易于操作等特点占据了市场主流。

1计算流体动力学简介

计算流体动力学（简称CFD）是一种以计算机为手段，通过求解由质量、动量和能量守恒方程等组成的非线性微分方程，借助于图像显示技术给出空间各处的速度、压力、湿度、组分浓度、湍流特性等详细信息以及流动、传热和反应装置的总体性能，从而实现对工程中各类物理问题进行研究的技术2，本试验通过计算流体动力学方法进行数值模拟试验。

2模拟方法

SCR系统设计时，根据给定的进、出口NOx浓度值、烟气流量等参数，即可对催化剂选型。但SCR反应器的外形结构、烟道尺寸、导流板的设置及烟道弯曲半径等的设计需针对具体工程进行设计，以保证NH3/NOx的充分混合以及反应器催化剂入口烟气的流场分布及脱硝效率。如SCR反应器设计不当，使塔内的烟气浓度、速度等分布不均，易引起催化剂中毒、磨损以及氨逃逸等问题。

本文拟通过对比不设导流装置SCR反应器烟道初始设计方案和增设导流装置的优化设计方案，对两种方案流场、烟气与氨气混合度进行计算分析，验证何种方案催化剂入口烟气流速偏差、烟气流向偏差、烟气温度偏差、NH3/NOX摩尔比偏差及脱硝系统压力损失等参数，形成最终设计方案。

3模型要求

根据某220T/h燃煤锅炉外置式脱硝装置实际运行环境，在满足工程要求条件下，为便于模拟计算，对SCR反应器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假设高温省煤器出口处烟气速度分布均匀；③催化剂层压降采用多孔介质进行模拟；④在CFD模型中安装改变流场的导流板、整流层等；⑤忽略对流场影响较小的内部构造（如支撑，悬吊件等)。

4数值模拟试验

从高温省煤器出口至空气预热器入口建立包括氨喷射管（AIG）、静态混合器、整流格栅、催化剂层和烟道系统等的CFD模型。在高温省煤器出口、AIG上游及下游、第1层催化剂入口、第2层催化剂出口、SCR反应器出口及空气预热器入口等流场变化明显的位置设置取样截面，如图1所示。

对喷射管、静态混合器，采用金字塔形划分网格，其余采用六面体划分网格，网格的密度有所不同。烟气进口采用速度进口边界条件，组份输送；氨/空气混合采用速度进口边界条件，组份输送；出口采用压力出口边界条件；催化剂采用多孔介质模型；导流装置、涡流混合板、整流格栅及喷淋管外壁等采用固体壁面边界条件。

建立动量方程、连续性方程、能量守恒方程等控制方程，本工程模拟试验，脱硝系统内雷诺数Re为104的数量级以上，选择k—两方程湍流模型。设置烟气进口速度设为4.14m/s，组份输送、温度643K；氨/空气混合速度设为18.07m/s，组份输送、温度613K；出口静压设为-1800Pa；设置每层催化剂阻力损失150Pa后选择解算器精度、求解器类型、对流项离散格式、压力速度耦合方法、亚松弛因子的设定及迭代计算的控制精度等，进行迭代计算，显示或输出计算结果。其中，催化剂入口烟气条件的要求：

1）、烟气流速偏差小于10%，按式（1）计算；

初始方案催化剂入口烟气流速偏差Cv为40.277%，不满足烟气流速偏差小于10%的技术要求；初始方案催化剂入口烟气流向偏差为27.509°，不满足烟气流向偏差小于10°的技术要求。增设导流装置方案催化剂入口烟气流速偏差Cv为7.866%，入口烟气流向偏差为5.805°，均满足技术要求。

进一步模拟增设导流装置方案催化剂入口最低温度Tmin：642.79K、最高温度Tmax：642.82K、平均温度Tavg：642.80K，满足烟气温度偏差小于±10℃的技术要求；模拟催化剂入口NH3/NOx摩尔比偏差CV为2.255%，满足NH3/NOx摩尔比偏差CV小于5%的技术要求。

模拟两方案的沿程阻力，增设导流装置方案在催化剂层c-e段阻力明显较初始方案低，其它烟道部分阻力相当，提高了运行经济性。

6结论

模拟试验表明，初始方案催化剂入口烟气流速、流向偏差均不能满足设定的技术要求。增设导流装置方案催化剂不但入口烟气流速、流向偏差满足技术要求，而且在入口温度偏差、NH3/NOx摩尔比偏差等指标均优于技术要求，沿程阻力也明显低于初始方案，该方案提高了烟气与脱硝还原剂混合效果并减小了烟道阻力，达到流场优化目的。

参考文献

[1]朱国荣.解永刚.SCR技术应用于国内大型燃煤电站锅炉的技术探讨[J].电站系统工程2005,21(3)

[2]夏文静.何长征.韦红旗.数值模拟辅助低Nox燃烧调整试验的研究[J]-江苏电机工程2011,30(4).

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