SCR烟气脱硝数值模拟研究(20131108李恩家)于

燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝装置数值模拟研究李恩家1顾杨杨2衣贺昌3（哈尔滨电站设备成套设计研究所有限公司）摘要：计算流体力学（CFD）是基于数学方法建立单相或者多相流动基本控制方程，利用数值方法对其进行求解。

因此，采用CFD（Computational fluid dynamics）计算流体力学模拟软件Fluent计算SCR脱硝反应装置流场、温度分布、氨分布、系统阻力分布以及飞灰颗粒分布等复杂问题。

导流板的形状和布置方式是保证脱硝效率的关键，通过CFD模拟比较各导流装置的不同布置方案,初步确立了导流板、AIG及混合器的布置方式,将有助于设计更为合理的SCR烟气脱硝装置。

关键词：CFD模拟；脱硝效率；SCR烟气脱硝装置；烟气脱硝Study on Numerical Simulation of SCR Flue Gas DenitrationLi En-jia ,Gu Yang-yang , Yi He-changAbstract：Computational Fluid Dynamics (CFD) is the basic equation which is based on the mathematical method to establish single-phase or multiphase flows and is solved by numerical methods.Therefore, use CFD simulation software of fluent to calculate complex issues of SCR denitrification reactor, such as flow field, temperature distribution, ammonia distribution,system resistance and fly ash particles distribution, etc. The shape and arrangement of deflectors are the key to ensure that the denitrification efficiency, comparing the different deflectors arrangement scheme through CFD simulation, initially established arrangements of deflectors, AIG and the mixer, that will help design more reasonable flue gas denitrification system.Key words: CFD simulation; denitrification efficiency; SCR technolog; flue gas deitrification选择性催化还原脱硝技术以脱硝效率高、氨逃逸率低和技术可靠等优点已经是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术[1]。

在开发SCR技术过程中，应用计算机仿真技术进行优化设计和性能仿真分析，将会大大减少花费，节约人力。

SCR脱硝装置中烟气流场、温度场分布及还原剂(NH3)与NOx混合效果是影响脱硝效果的决定因素，它们不但影响最终的脱硝效率和氨逃逸率，还对脱硝装置的长期安全稳定运行产生影响。

脱硝效率和氨逃逸率是衡量SCR系统性能的两个重要指标，而SCR反应器前烟气与氨气的混合程度是影响这两个指标的重要因素[2]。

因此，通过合理设计和布置导流板，从而改善SCR反应器入口段流场均匀性，可提高脱硝系统性能。

基于新疆金晖兆丰2×350MW机组烟气脱硝装置CFD流场模拟的研究，对SCR反应器及前部烟道内导流板布置进行改进，并利用流体动力学计算软件对不同方案进行数值模拟，通过比较其对流场均匀性的影响，得出了最优导流板布置方案确定氨喷射栅格、混合装置以及导流板最佳布置方式，检验系统催化剂层的压降。

1 模型建立1.1 CFD数值模拟根据新疆金晖电厂2×350MW机组烟气脱硝装置SCR反应器设计参数，利用CFD前处理工具建立1：1比例的三维数值模型并划分网格，模型中将蜂窝型催化剂看成是由平行通道组成的各向不同性的多孔介质；同时忽略导流板、氨注射栅格（AIG）厚度和整流格栅隔板厚度。

模型采用四面体和六面体网格进行网格划分，即Tet/Hybrid，TGrid网格法[3-4]，并在AIG处和首层催化剂入口加密网格，使得计算结果更为精确，模型网格计算单元数量约500万个，CFD数值模型网格情况见图1。

图1 CFD数值模型网格图1.2喷氨格栅数值模型氨与稀释风量混合后速度分布影响氨在SCR系统中与烟气混合程度。

为了解从喷嘴喷出速度情况，，借助FLUENT软件平台对喷氨格栅进行了数值模拟。

图2为从分配集箱到喷氨格栅的三维数值模拟。

监测面4SCR出口监测面3上层催化剂入口图2喷氨格栅三维数值模拟由于喷氨栅格结构复杂，尺寸相差大，要了解喷氨栅格准确流场信息，需要较多网格数才能到要求。

由于现有软件对内存要求限制，无法对喷氨栅格整体进行模拟。

本次模拟采用分两块进行模拟：喷氨栅格主管道和喷氨栅格支管道。

可以看出由于喷氨格栅管路特性不同，导致氨速度分布沿烟气流程方向呈左高右低趋势，导致每个喷氨单元流量不同，从而沿烟道宽度方向出现氨浓度偏差。

2 研究方法SCR 脱硝装置施工设计前，采用数值模拟方法对反应器及烟道形状合理设计，安装导流装置，用数值模拟方式指导实际脱硝装置设计。

研究主要使用k-ε湍流模型、组分输运模型和多孔介质模型等。

2.1 k-ε湍流模型SCR 脱硝装置内烟气流动是三维湍流流动，对其模拟必然要涉及到对湍流问题。

工程应用中对SCR 脱硝装置内部流场的数值模拟，基本上仍是基于求解Reynolds 时均化方程及关联量输运方程的湍流模拟方法，整个湍流流动过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒。

为了便于求解，需要对上述方程进行雷诺平均，雷诺平均后的方程称为平均流控制方程，如下列方程所示： 连续方程：0=∂∂+∂∂x u t i ρρ动量方程：能量方程： k-ε湍流模型中的湍流脉动动能k 和湍流动能耗散率ε是衡量湍流强度及尺度的两个湍流统计量，它们是空间坐标的函数，k 和ε的输运方程可通过上述瞬态量的N-S 方程推导而得到，即SCR 脱硝装置烟气流场的控制方程式可表示为：S div u div +=+∂∂)Γgrad ()(t ）（φφρρφ其中φ为因变量，Γ为扩散系数，S 为广义源项，u 为速度矢量。

对控制方程求解采用压力耦合方程的全隐算法SIMPLE 算法，其计算步骤为：(1)给定初始速度分布u 0、v 0、w 0，计算动量方程的各系数及常数项；(2)给定初始压力p*；(3)依次求解动量方程，得到与p*相应的速度u*、v*、w*；(4)求解压力修正方程，得到p’，由p’进一步改进速度值；(5)利用改进后的速度场求解那些通过源项、物性等与速度场藕合的φ变量；(6)利用改进后的速度场重新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压力作为下一层次迭代计算的初始值；重复上述3至6步，直至收敛为止[5]。

2.2物质输运模型由于SCR 反应器中流动介质成分含有烟气和NH 3是不同组分，且烟气是由多种物质组成，因此对SCR 反应器中脱硝过程研究就涉及流动中物质混合情况研究，模拟多种同时发生化学反应时，常采用混合物物质输运模型来模拟计算这种情况。

对于无反应组分混合选择化学物质守恒方程计算，FLUENT 通过第i 种物质对流扩散方程预估每种物质质量分数Yi 。

守恒方程采用以下的通用形式：i i i i S R ρY ρt ++∇=)(∇+)(∂∂i其中ρ为流体密度，t 为时间，为流体速度，iJ物质扩散通量，由浓度梯度产生，R i 是化学反应净产生速率，S j 是离散相和用户定义的源相导致的额外产生速率。

根据SCR 工艺，催化剂前NH 3和NO x 不反应，只考虑两者的混合，因此R i 和S i 均取为零。

无反应组分的混合只需考虑i 物质的湍流扩散通量J i 。

()()Rf j p ji j p j p S S T u c ρx λx T u c ρx tT c ρ++∂∂=∂∂+∂∂''()i jji jij j i j i g ρx ρu u ρx u μx u u ρx t u ρ+∂∂∂∂∂=∂∂+∂)(∂''Yi)D -(m i,∇+=ttSc μρ其中Sct 是湍流施密特数，（缺省设置值为0.7）。

2.3多孔介质模型多孔介质是指由固体物质形成骨架与由骨架分隔而成大量密集成群微小空隙的物质结构，在数模中划分干万网格体，受到计算机本身制约，在满足数值模拟要求下，在数模中常把催化剂层建模成多孔介质区域。

其压降损失模拟公式见下式。

i i i C S ννρναμ212i +=其中S i 为i 方向上动量源项(Pa/m)，α为介质渗透因子，v i 为i 方向上速度分量(m/s)，ρ为介质密度(kg/m 3)，C 2为内部阻力因子(1/m)。

3 试验目的CFD 数值模拟将达到如下目的：(1)确定初始和预留催化剂压降，氨喷射栅格和混合装置，相关烟道系统最佳布置，减小由于SCR 脱硝装置压降导致锅炉烟风系统压降增大的影响。

(2)确定在管道和反应器中导流板和烟气混合装置的最佳形式、数量和位置，确定最佳的反应器入口烟道喷氨系统。

(3)确定氨喷射栅格和混合装置的最佳位置和布置以及装置内积灰情况，并最小化飞灰颗粒在反应器内的沉积，优化AIG 入口和催化剂上游的速度分布来增强NH 3均匀分配和混合。

(4)AIG 上游、AIG 下游、首层催化剂（预留的或者初始的催化剂）入口烟气速度的最大标准偏差（Cv ）：平均值的15%（BMCR 工况下）。

标准偏差百分量计算方法如下：%100×=υσC υυ ∑)-(n1=2)1-(1=i υυυin σ式中：∑==nii n11υ—平均速度 (m/s)i υ—局部速度 (m/s)；n —测点数量υσ—速度标准偏差 (m/s)；υC —标准偏差系数 (%)(5)首层催化剂（预留的或者初始的催化剂）入口NH 3/NO x 摩尔比的的最大标准偏差（整个横截面）：平均值的10%（BMCR 工况下）且入口烟气进入最大偏差角度（整个横截面）：+/-10°4 结果分析在SCR 脱硝装置数值模型中选取典型纵向剖面，采用k-ε模型模拟该纵向剖面速度场分布特性。

SCR 系统入口气体流速7.05m/s ，流动介质为空气。