脫硝系統超低排放中的關鍵技術—CFD優化

    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技術對流場進行優化設計是“性價比”最高的一項關鍵技術，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、降低整體系統阻力，CFD技術在整個過程中發揮重要作用。本文對CFD技術做簡要介紹，并結合實際工程案例，對CFD在SCR脫硝系統優化中的應用做出分析。

1、CFD技術簡介

        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值計算和圖像顯示, 對包含有流體流動和熱傳導等相關物理化學現象的系統所做的分析。CFD 的基本思想可以歸結為: 把原來在時間域及空間域上連續的物理量的場, 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于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組, 然后求解代數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軟件技術的領先者，被廣泛應用于航空航天、旋轉機械、航海、石油化工、汽車、能源、計算機/電子、材料、冶金、生物、醫藥、環保等領域，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，Fluent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技術在SCR脫硝流場優化上的應用，結合實際案例對脫硝系統的優化設計給出建議。

2、CFD技術在SCR脫硝系統的應用

2.1 優化分析的目的

在SCR系統設計中使用CFD軟件，能實現下述的設計目的：

1)  研究煙氣流動情況優化煙氣流場，確定最佳設計外形、最佳內容布置方式;

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)  檢驗和預測系統壓力損失，保證壓降最小化;

4)  優化煙氣溫度場、速度場分布;

2.2 模擬范圍的選取原則

常規情況下，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、網格劃分、邊界條件設置和計算模型選取，最后經過數值求解得到我們需要的可視化的圖像結果。大致過程如下圖：

                                                                           圖4 SCR脫硝系統流場計算的大致過程

計算結束后，我們可以獲取整個計算模型內部任何位置的煙氣流速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等等數據!

在所有位置里，我們最最關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、控制氨逃逸起到決定性作用。

                                                                                      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時間是一致的，不會出現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，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脫硝優化的定量分析目標

                                                                                    圖6 CFD研究最低規范標準

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%。

如果結算結果的數據不滿足上述要求，可以通過調整煙道的布置方式，導流板整流格柵的修改來對煙氣流場進行優化。大多數情況對流場的優化主要是導流板、整流格柵這些內部結構，尤其對于改造項目很多煙道的布置方式只能由現場情況決定。但是好的煙道外形設計是流場優化的先天優勢。

2.5 從流場優化的角度，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、反應器后側頂板與整流格柵不建議留有空間，會造成反應器后側煙氣流速過高。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。如發現反應器后側的催化劑磨損嚴重，可通過在反應器上部布置導流板對流場進行優化調整。

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進行密封。

5、模型盡量建立完全，反應器出口之后的優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優化分析的條件下，可以以上述方法作為第一版計算結果，然后根據項目特征進行針對性優化調整。

3、結語

       最后值得一提的是，盡管CFD模擬結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項目在調試階段都進行噴氨優化調整試驗，該試驗對于保證脫硝效率和控制氨逃逸有重要意義，后續將會專門介紹這項技術。

       從目前脫硝行業技術發展狀況來看，將來一段時間內SCR脫硝仍將是燃煤鍋爐脫硝的主流技術。對于越來越嚴的排放標準，科學合理的流場設計對于工業領域節能減排發揮重要作用。除在SCR脫硝的應用外，CFD技術在煙氣治理其他領域，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，這些領域的應用將在后續系列文章中陸續介紹。