脫硝系統(tǒng)超低排放中的關(guān)鍵技術(shù)—CFD優(yōu)化

    目前燃煤電廠煙氣脫硝以高效的選擇性催化還原脫硝(SCR)技術(shù)為主。截止到2015年，我國燃煤電站SCR脫硝裝置的安裝率超過85%。在超低排放的要求下，已有脫硝系統(tǒng)普遍采用的提效措施是改善流場、加強混合效果，并加裝第三層催化劑(原設計2層)。其中，通過CFD技術(shù)對流場進行優(yōu)化設計是“性價比”最高的一項關(guān)鍵技術(shù)，值得在所有SCR脫硝改造項目中推廣應用。

    通過合理的導流板、整流格柵、噴氨格柵、混合器的設計，提高催化劑入口煙氣流速均勻性、氨氣分布均勻性、降低整體系統(tǒng)阻力，CFD技術(shù)在整個過程中發(fā)揮重要作用。本文對CFD技術(shù)做簡要介紹，并結(jié)合實際工程案例，對CFD在SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化中的應用做出分析。

1、CFD技術(shù)簡介

        CFD是Computational Fluid Dynamics的簡稱，中文全稱為：計算流體動力學。CFD 模擬就是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示, 對包含有流體流動和熱傳導等相關(guān)物理化學現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD 的基本思想可以歸結(jié)為: 把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場, 如速度場和壓力場, 用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替, 通過一定的原則和方式建方起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組, 然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。市場上主流的CFD軟件的分類有：

                                                                             圖1 市場上主流的CFD軟件的分類

       本文所談的CFD軟件，主要是指Fluent軟件。FLUENT自1983年問世以來，就一直是CFD軟件技術(shù)的領(lǐng)先者，被廣泛應用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機械、航海、石油化工、汽車、能源、計算機/電子、材料、冶金、生物、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域，這使FLUENT公司成為占有最大市場份額的CFD軟件供應商。以12.0版本為例，F(xiàn)luent軟件主界面如下：

                                                                                     圖2 Fluent軟件主界面

                                                                               圖3 CFD軟件的大致工作過程

本文不深入探討CFD的計算過程，主要站在工程應用的角度，講講CFD技術(shù)在SCR脫硝流場優(yōu)化上的應用，結(jié)合實際案例對脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設計給出建議。

2、CFD技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)的應用

2.1 優(yōu)化分析的目的

在SCR系統(tǒng)設計中使用CFD軟件，能實現(xiàn)下述的設計目的：

1)  研究煙氣流動情況優(yōu)化煙氣流場，確定最佳設計外形、最佳內(nèi)容布置方式;

2)  確定噴氨格柵及混合裝置的形式、位置，保證氨的混合均勻性;

3)  檢驗和預測系統(tǒng)壓力損失，保證壓降最小化;

4)  優(yōu)化煙氣溫度場、速度場分布;

2.2 模擬范圍的選取原則

常規(guī)情況下，對于火電廠燃煤鍋爐而言，SCR脫硝裝置的布置在省煤器與空預器之間，之所以在這個位置居多，原因是這段煙溫處于脫硝催化劑的活性溫度范圍。

在進行CFD模擬的時候，所選型的模型范圍也是自省煤器出口至空預器進口。省煤器出口作為模型入口邊界，空預器進口作為模型出口邊界。

2.3 模擬分析的大致過程

選取模型后，通過三維建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設置和計算模型選取，最后經(jīng)過數(shù)值求解得到我們需要的可視化的圖像結(jié)果。大致過程如下圖：

                                                                           圖4 SCR脫硝系統(tǒng)流場計算的大致過程

計算結(jié)束后，我們可以獲取整個計算模型內(nèi)部任何位置的煙氣流速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等等數(shù)據(jù)!

在所有位置里，我們最最關(guān)心的是催化劑表面這個位置，此處的煙氣流速均勻性、氨氣濃度均勻性對脫硝效率、催化劑磨損、控制氨逃逸起到?jīng)Q定性作用。

                                                                                      圖5 SCR脫硝的化學原理

速度均勻意味著通過催化劑層每個孔道的煙氣流經(jīng)時間是一致的，不會出現(xiàn)個別孔道通過時間較快未反應完全且磨損嚴重的情況。

濃度均勻意味著通過催化劑每個孔道氨氮比是一致的，否則則會出現(xiàn)，氨氮比高的孔未反應掉的氨氣逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脫除完全。

2.4 SCR脫硝優(yōu)化的定量分析目標

                                                                                    圖6 CFD研究最低規(guī)范標準

其中，速度相對標準偏差，對于超低排放來說建議設定更低：<10%。

如果結(jié)算結(jié)果的數(shù)據(jù)不滿足上述要求，可以通過調(diào)整煙道的布置方式，導流板整流格柵的修改來對煙氣流場進行優(yōu)化。大多數(shù)情況對流場的優(yōu)化主要是導流板、整流格柵這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其對于改造項目很多煙道的布置方式只能由現(xiàn)場情況決定。但是好的煙道外形設計是流場優(yōu)化的先天優(yōu)勢。

2.5 從流場優(yōu)化的角度，SCR煙道反應器設計注意事項

1、避免噴氨格柵上游與傾斜的煙道出口過于臨近。這樣會造成噴氨格柵上游流速偏差過大，難以控制氨的混合均勻性。對于條件受限不得不采用這種設計的項目，建議在煙道轉(zhuǎn)彎段的進出口均布置導流板，降低煙氣流速的偏差。如下圖：

2、避免豎直煙道與反應器設計過近;煙氣從豎直煙道到反應器最好通過兩個90°彎頭來過渡，煙道與反應器過于靠近相當于一個180°轉(zhuǎn)彎，流場難以均布;對于條件受限不得不采用這種設計的項目，建議采用改變煙道上部走勢的特殊處理。如下圖：

3、反應器后側(cè)頂板與整流格柵不建議留有空間，會造成反應器后側(cè)煙氣流速過高。如下圖：

      對于此處已設計留有空間的項目，建議停爐改造期間檢查頂層催化劑磨損情況。如發(fā)現(xiàn)反應器后側(cè)的催化劑磨損嚴重，可通過在反應器上部布置導流板對流場進行優(yōu)化調(diào)整。

4、不建議催化劑備用層預留在最上層。如下圖：

       這種預留上層的布置方式，要特別注意上層支撐梁的積灰問題，大塊的積灰落下對下面催化劑來說是致命的。對于已采用催化劑預留在上層的項目，建議停爐檢修期檢查上層支撐梁兩側(cè)是否有積灰，檢查支撐梁下方的催化劑有無堵灰，強烈建議對預留層支撐梁兩側(cè)進行密封。

5、模型盡量建立完全，反應器出口之后的優(yōu)化雖對脫硝效率沒影響，但對下游的空預器有影響，空預器進口煙氣流速偏差過大將對空預器換熱效果造成影響。一個反面的案例如下：

                                                                                 2.6 導流板的布置的建議

        在不具備CFD優(yōu)化分析的條件下，也需要設置導流板，可以參考以下的布置方式：

                                                                            圖7 SCR脫硝導流板的計算方法

       在具備CFD優(yōu)化分析的條件下，可以以上述方法作為第一版計算結(jié)果，然后根據(jù)項目特征進行針對性優(yōu)化調(diào)整。

3、結(jié)語

       最后值得一提的是，盡管CFD模擬結(jié)果對脫硝流場設計提供保證，但考慮到煙氣工況多變，還是建議所有SCR項目在調(diào)試階段都進行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，該試驗對于保證脫硝效率和控制氨逃逸有重要意義，后續(xù)將會專門介紹這項技術(shù)。

       從目前脫硝行業(yè)技術(shù)發(fā)展狀況來看，將來一段時間內(nèi)SCR脫硝仍將是燃煤鍋爐脫硝的主流技術(shù)。對于越來越嚴的排放標準，科學合理的流場設計對于工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排發(fā)揮重要作用。除在SCR脫硝的應用外，CFD技術(shù)在煙氣治理其他領(lǐng)域，如SNCR脫硝、濕法脫硫、電除塵、袋除塵、MGGH、除霧器及煙道布置上已有眾多成熟的應用，這些領(lǐng)域的應用將在后續(xù)系列文章中陸續(xù)介紹。