燃煤电厂SCR烟气脱硝系统流场优化分析

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1、燃煤电厂SCR烟气脱硝系统流场优化分析孙琦明，施平平，谢芳（浙江蓝天求是环保集团有限公司 浙江杭州市 310012）Application and comparision of numerical simulation and cold test in analysis of the flow field in SCR systemSUN Qi-ming, SHI Ping-ping , XIE Fang摘要：本文以合山电厂600MW燃煤锅炉SCR脱硝反应系统的流场优化分析为例，研究数值模拟和冷态试验在电厂SCR系统流场分析中的应用。结果表明，数值模拟和冷态试验结果较为吻合，验证了数模优化方案

2、的可行性。其中，速度场、浓度场和压降都满足设计要求，烟气经整流格栅优化可以垂直进入催化剂层，模型中无明显积灰。关键词：SCR系统；数值模拟；冷态试验；流场（Zhejiang Atmosphere Environment Protection Group Co.,Ltd. Zhejiang hangzhou, 310012 , China）Abstract: Taking the analysis of the flow field in SCR system of Heshan 600MW coal fired plant as an example, this paper studied n

3、umerical simulation and cold test in analysis of the flow field in SCR system. The experiments showed that the results of numerical simulation were the same with those of cold test, which meant the method of simulation was credible. The flow field of velocity，concertration and pressure met the desig

4、ned requirements. Installation of flow straightening grid can optimize the direction of gas flow to make the flue gas enter the catalyst vertically. There was no significant dust deposition in the model.Key words: SCR system; numerical simulation; cold test; flow field煤燃烧过程中产生的NOx是造成大气污染的主要来源之一。针对燃煤

5、烟气NOx的治理与控制技术，迄今为止，已开发出多种NOx控制技术1。其中，选择性催化还原反应（SCR）脱硝技术以其技术成熟、脱硝率高、经济适用性好等优点成为大型燃煤电站烟气脱硝技术的主要选择 2,3。在SCR反应系统中，烟气的流动特性是影响催化剂的有效利用和脱硝率重要因素之一4,5。实际SCR工程应用中，一般采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术（或称数值模拟）与冷态试验模拟相结合对SCR系统进行流场模拟研究，掌握其流场特性，通过适当的方法优化SCR系统流场，从而为实际SCR反应工程设计提供最优流场建议，以确保满足SCR系统反应所要求的流场

6、环境。相对于冷态试验模拟而言，数值模拟更易操作和实现，并且省时、省力。然而，从国内发展情况来看，数值模拟在SCR反应系统中的应用还处于起步阶段，可用的数据较少6-8。本文以合山电厂600MW燃煤锅炉SCR脱硝反应系统的流场优化分析为例，将数值模拟和冷态试验的模拟结果进行对比分析，以验证数值模拟的准确性。1 CFD数值模拟模型1.1 模型对象SCR系统的CFD建模范围是从省煤器约中部位置处到空预器入口法兰（如图1-1所示）。通过初步模拟计算，在模型中加装导流装置，使系统流场得到初步优化。其中，优化流场的部件包括：(1)AIG水平扩口处安装一组导流板；（2）反应器进口水平烟道变截面处和转弯处各安装

7、一组导流板；（3）反应器出口烟道处安装一组导流板。1.2 模型假设及简化在模拟过程中，对SCR系统内烟气状况作如下假设和简化9,10：（1）将烟气视为不可压缩牛顿流体；（2）假设SCR系统进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）采用无化学反应的组分运输模型来模拟反应器内的混合。图1-1 CFD模型图 图1-2 CFD模型网格图1.2.1 数学模型基于前面假设与简化，SCR系统烟气流场的控制方程通用形式可表示为： （1）式中 、分别为通用变量、广义扩散系数、广义源项。式中各项依次为瞬态项（transient term）、对流项（convective term）、扩散

8、项（diffusive term）和源项（source term）。根据SCR系统内烟气流动湍流实际情况，本文采用标准-湍流模型来模拟塔内烟气湍流运动。1.2.2 多孔介质模型对于SCR系统反应器内的催化剂层压降，通过将催化剂层处理为多孔介质来进行模拟。 （2）式中：i向动量源项（Pa/m）；层流粘度（）；介质渗透性（-）；i向速度分量（m/s）；密度（kg/m3）；内部阻力因子（1/m）。1.2.3 偏差定义当用参数来代表不均匀性时，需要用入口参数的不均匀性来评估反应器性能。考察参数是标准偏离平均值的百分量11，其计算方法如下（3）式： （3）式中：；标准偏差系数；标准偏差；平均值1.3网格

9、划分及边界条件利用前处理软件GAMBIT对SCR系统进行三维建模，采用四面体和六面体网格对三维模型进行网格划分。与模型外形尺寸相比，因喷嘴尺寸相对较小，为了精确考察喷嘴喷射情况，将喷嘴出口段的烟道的网格进行加密。模型网格计算单元数量约为650万，模型网格划分如图1-2所示。省煤器烟气入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口压力取1个标准大气压，采用无滑移壁面边界条件。2冷态试验模型2.1 试验模型本试验台的模型按实际SCR反应器1：12比例缩小，试验系统由SCR反应装置模型、引风机、管道及阀门、模拟喷氨设备等构成，试验系统图如图2-1所示。试验模型主体采用透明有机玻璃制作，以便于观

10、察流场。导流板采用钢板制作，采用等压模拟催化剂床层的阻力。图2-1试验系统图2.2 试验工况及方法试验台采用的流体介质为空气，按BMCR和50%THA两种负荷进行测试，并且两种模拟方法的研究和测试部位相同，以便对结果进行比较。冷态试验具体工况见表2-1。表2-1 冷模试验条件工况负荷催化剂入口速度（m/s）温度（）雷诺数BMCR实际设备烟气3.983939.3105模型空气1.64254.810550%THA实际设备烟气3.983123.1105模型空气1.64251.3105测点位置如图2-1所示。速度测试采用热线风速仪及其配套设备来进行数据采集和分析处理；压力测试仪主要采用U型管压力计和微

11、压计对SCR反应器内各所要求的考察处进行压力测量，通过多点测量取均值的方法得到该处的平均压力；CO作为示踪气体模拟烟气中NH3的分布情况，CO浓度的测量采用testo 350Pro烟气分析仪进行。流场显示采用丝线，在首层催化剂入口处，布置间隔50mm均匀垂直的悬挂下细丝红线，以显示该处流场流动分布的情况，测试时采用高速照相机拍照。3 结果分析3.1 速度分布特性通过数值模拟，得出BMCR、50%THA工况下SCR系统总体的速度分布特性的结果，如图3-1所示为SCR系统纵截面（z=0）速度分布情况。从该图中可以看出，在系统中各转弯处速度基本没有出现很大偏差，反应器内速度分布比较均匀。（a） BM

12、CR工况（b）50%THA工况图3-1 SCR系统纵截面（z=0）速度分布情况对于首层催化剂入口处速度大小的分布情况，将BMCR和50%THA工况下数模和冷模的结果进行比较，得出图3-2（a）和3-2（b）。从图中可以看出，数值模拟结果和冷态试验结果速度分布趋势总体相符，相对中间大部分区域，靠近左右两端略有偏高。另外，从两种工况对比情况来看，数模结果均略优于冷模结果，主要原因可能是由于冷态模型反应器进口处导流板在制造和安装过程中与理论设计值有一定偏差，从而导致SCR反应器进口处不同导流板出口处流量存在微小偏差，进而导致反应器入口速度分布存在一定偏差。而数值模拟结果和试验测试结果的数据获得方式和

13、处理方法有点不同而会造成计算Cv值有一定偏差，总体而言，数模与冷模所得的速度分布总体趋势相符，基本可以反映SCR反应器进口处流速分布的实际情况。数值模拟结果（Cv=3.56%）冷模试验结果（Cv=10.7%）数值模拟结果（Cv=3.44%）冷模试验结果（Cv=9.8%）图3-2（a）BMCR工况首层催化剂入口速度分布图3-2（b）50%THA工况首层催化剂入口速度分布另外，对首层催化剂入口处的气流入射角度进行飘丝试验，其结果如图3-3所示。该图反映了首层催化剂入口处的速度入射角偏差情况（与垂直方向夹角），可以看出首层催化剂入口处速度与首层催化剂层截面没有出现较大的偏角。BMCR工况50%THA

14、工况图3-3首层催化剂入口速度偏角分布3.2 浓度分布特性对于首层催化剂入口处氨氮摩尔比分布情况，同样将BMCR和50%THA工况下数模和冷模结果进行比较，得出图3-4（a）和3-4（b）。假设烟气中NOX 分布是均匀的且氨氮摩尔比等于1，那么模拟氨的气体CO的浓度分布即可表示氨氮摩尔比分布。从图中可以看出，两种工况下的数值模拟结果与冷模试验结果趋势相同。模拟结果达到了设计流场的要求（Cv10%）数值模拟结果（Cv=6.01%）冷模试验结果（Cv=9.3%）图3-4（a）BMCR工况首层催化剂入口浓度分布数值模拟结果（Cv=5.28%）冷模试验结果（Cv=9.2%）图3-4（b）50%THA工

15、况首层催化剂入口浓度分布3.3 流动阻力分布特性加装导流装置后，BMCR工况下流动阻力特性的数值模拟结果和冷模试验结果见图3-5。从图中可以看出，系统主要压降集中在烟道转角处和催化剂层，省煤器出口至空预器入口处的流动阻力（加装2层催化剂后）小于800Pa，满足系统设计要求。数值模拟结果（Cv=6.01%）冷模试验结果（Cv=9.3%）图3-5 BMCR工况下SCR系统总压分布3.4 灰沉积特性按常规考虑，锅炉在启停或者低负荷运行时，省煤器出口至SCR脱硝系统入口处水平烟道内可能会出现积灰情况。为了考察有可能出现的积灰对系统正常运行的影响情况，本文进行了灰沉积特性的冷态试验研究，弥补了CFD模拟

16、中研究灰沉积特性难度较大的不足。本试验用灰取自浙江某电厂600MW机组燃煤飞灰，其中粒径小于100m的飞灰占90%以上。为便于试验，在省煤器出口至SCR脱硝系统入口处的水平烟道内预先铺设平均厚度大于7 cm的灰（大概占整个烟道高度的1/4），着重模拟从50%THA工况积灰情况开始，到负荷增加至BMCR工况后省煤器水平烟道底部积灰厚度变化的情况，结果如图3-6所示。THA工况前模型运行2h后模型图3-6（a） 50%THA工况下积灰实验BMCR工况前模型运行1h后模型运行2h后模型运行4h后模型图3-6(b) BMCR工况下积灰实验从图中可以看出，50%THA工况下，在试验进行到2h，模型中预铺

17、设灰层明显减少；随着试验的进行，预铺设灰层的变化越来越小，最终出现动态平衡。在BMCR工况下，试验进行到1h、2h、4h，模型中预铺设灰层变化很明显，积灰量随试验的进行继续减少。这主要是因为随着工况负荷的提升，烟道内烟气流速增大，对预铺设灰层的冲刷作用增强，最终导致两种工况下灰层随试验时间的推延而出现不同的变化情况。4 结论（1）数值模拟与冷态试验的速度场、浓度场和压力场的结果都较为吻合，验证了数值模拟所确定的最佳优化工况的可行性；相比于冷态试验，采用数值模拟方法对SCR系统内部结构进行设计和优化更加省时、省力。（2）导流板的加装可以有效的提高烟气速度场和还原剂浓度场的均匀性，并且不会增加反应

18、器内部的压降；整流格栅可以优化进入首层催化剂的气流方向，使烟气垂直进入催化剂层。（3）灰沉积试验表明，水平烟道内预铺设灰层在高负荷工况下的变化更为明显，模型中无明显积灰现象。这为合山电厂600MW燃煤锅炉SCR脱硝工程中取消入口及烟道中的灰斗，提供了有力的理论依据。参考文献1 朱法华, 赵国华. 燃煤电厂烟气脱硝的政策要求与建议J. 中国电力, 2008, 41(2): 51-54.2 吴阿峰,李明伟,黄涛等.烟气脱硝技术及其技术经济分析J. 2006,Vol 39.( 11): 71-75.3 Hans Jensen-Holm, Nan-Yu Topse,崔建华.选择催化还原(SCR)脱硝技

19、术在中国燃煤锅炉上的应用(上)J.热力发电,2007(8): 13-18.4 张彦军, 高翔, 骆仲泱, 等. SCR脱硝系统入口烟道设计模拟研究J. 热力发电, 2007(1): 15-23.5 雷达, 金保升. 燃煤电站SCR内烟气流场及还原剂浓度场模拟与优化J. 煤炭学报, 2009(34): 394-399.6 蒋新伟, 施平平, 钟毅, 等. 电站锅炉SCR系统流场的冷态试验与数值模拟的研究J. 能源与环境, 2010(3): 51-55.7 徐芙蓉, 平恒, 姜柏卿, 等. 三河电厂二期工程SCR脱硝装置流场的模型试验和数值分析J. 热力发电, 2007(11): 28- 32.8 孙琦明, 徐甸, 施平平, 等. CFD在火电厂SCR系统流场优化中的应用研究J. 中国环保产业, 2008(12): 32-36.9 . fluent help 6.1.22.10 Benny Kuan, Nicholas Rea, M. Phil Schwarz. Application of CFD in the design of a grit collection system for the coal fired power generation industryJ. Powder Technology, 2007(179): 65-72.