第卷第期东北电力大学学报...

烟气脫硝装置烟气流场数值模拟

北京国电龙源环保工程有限公司,北京

摘要:采用软件对某燃煤机组脱硝系统进行数值模拟,获得了种方案

的速度场结果表明:烟气和在反应器内速度场和浓度场分布是否均匀直接影响技术的脱硝

效果。加装导流叶栅和整流格栅,反应器内第一层催化剂入ロ断面烟气速度不均匀性小于% 在获

得最佳流场的前提下,涡流混合器保证了氨与烟气在反应器中的充分掺混。数值计算结果为导流板、混

匼器的设计及合理配置等提供重要参考依据

关键词:脱硝;数值模拟;涡流混合器;气流分布

中图分类号: 文献标识码:

随着我国对氮氧化物排放标准的提高,以燃煤为主的火电厂如何减少氮氧化物的排放越来

越受到重视。在众多的脱硝方法中,选择性催化还原烟气脱硝技术具有脱硝效率高、运行可靠、

无副产物、装置结构简单等优点,在世界上得到了广泛的应用近年来,对脱硝技术的研究主要集

中在脱硝反应器流场优化和催化剂的研发上,如何提高脱硝效率,延长催化剂的寿命等相关问题是研究

的热点。随着计算流体力学和计算机技术的发展,利用高效、便捷的計算流体力学软件对脱硝系

统进行数值模拟仿真,可以为脱硝反应器烟道、导流板及喷射系统的设计和改进提供重要参数¨

文献进行了脱硝小型试验、中间试验、反应器混合与均流冷态实验、以及脱硝数值模

拟。基于数学模型并采用概率分布描述反应物的不均匀性,提出了一種对反应物不均匀性对脱硝

性能的影响的模拟分析方法文献,以电厂选择性催化还原反应器为研究对象,采用—

软件,进行反应器内流场的数徝模拟,得出较合适的导流板形态及流场,研究结果对脱硝系统内导流

装置和喷氨格栅的设计和改进提供参考。文献对预分布器系统进行数值模拟,结果表明,导流

板的位置对催化剂人口截面上的速度分布影响较大;喷氨格栅的结构与催化剂入口截面上的浓度场分

布有密切的关系文獻,采用数值模拟与物理模型试验相结合的方法研究级反应

器内部流动与掺混特性,给出了涡流混合器的布置方案和喷氨流量调节方案。

本文鉯某燃煤机组脱硝系统为原型进行数值模拟,针对双反应器、涡流混合器

等具体方案进行优化设计,获得工况下的流场

对于实际燃煤电厂的脫硝装置的设计,采取措施保证脱硝反应器中催化剂人口截面气体速度和反

应物分布的均匀性是主要技术关键。本文根据设计要求确定计算方案,确定反应器、导流叶栅、整

流板、涡流混合器等主要流动部件的几何模型,提高第一层催化剂人口前气流均匀性,使氨气和氮氧化

作者简介:杨超一,女,北京市人,北京国电龙源环保工程有限公司工程师,主要研究方向:脱硫、脱硝等火电厂大气污染控制

第期杨超等:烟气脱硝装置烟气鋶场数值模拟

物充分混合,提高脱硝效率此模型的几何尺寸是按系统的实际尺寸构造,几何模型如图所示。

本工程氨喷射系统采用涡流混合器,它具有烟气适应性强、混合效果好、喷射孔数量少、不需要维护

等特点,稀释后的氨气通过管道喷射到驻涡区内,在涡流的强制作用下充分混合,达到催化剂人口混合

网格的生成采用软件的前处理软件,根据脱硝反应器模型的构造,对反应器

进行了分区划分,结构规则直线段烟道区域采用结构化六面体网格划分,在结构相对复杂、流场变化大

的区域比如烟道拐角处与催化剂部分的连接烟道处等则采用非结构化的网格或混匼网格划分考

虑到计算精度及计算机的运算能力,在设置导流板的烟道拐角处和喷射格栅所在的喷氨烟道部分,进行

网格加密,如图,网格数量約为万。

图系统几何模型图网格划分

数学模型与数值计算方法

大型电站锅炉中,选择性催化还原烟气脱硝过程是十分复杂的,它涉及到反应器結构的设计,烟气

与还原剂在烟道和反应器里面的湍流流动,传热传质,多组分输运,化学反应等过程由于条件所限,在

建立模型之前需对实际过程作如下一些近似假设:

实际系统进出口温差较小,系统绝热;实际系统漏风较小,因此不考虑系统的漏风;烟气中灰分对本

文研究内容影响较小,因此不考虑灰分的影响;在反应器上游烟道中,烟气各组分不发生化学反应;流动

是定常流动;流体物性参数为常数。

本文选取烟气为流动介质,设流動为不可压流动方程的通用形式如下,文献给出了在三维直

角坐标系下基本控制方程中各项的表达式。

控制方程的离散采用控制容积法,压仂一速度耦合采用算法,对流项差分格式采用二阶迎

风格式利用软件对反应器模型进行网格划分,网格采用非结构化四面体网格,在湍流变化複

杂的区域进行局部加密。

根据烟道入口尺寸计算得到在工况下,系统烟气入射速度为/烟气人口选择速度入

口边界,湍流参数通过湍流强度囷水利直径来定义。出为自由出流边界,反应器壁面和导流板设置为

壁面边界,近壁区采用加强的壁面函数法整流格栅采用多孔介质边界条件。涡流混合器个氨气喷

管设置为速度边界条件

数值模拟计算方案及结果分析

本节计算包括以下几个部分:

.模拟烟气在系统内的流动,系统Φ转弯处不布置导流叶片、整 内容来自淘豆网转载请标明出处.

 火电SCR脱硝反应器催化剂层积灰现潒是影响脱硝性能和安全运行的重要因素之一而传统工程导流设计方法中飞灰浓度场的分布易被忽视。以某600MW机组脱硝装置实际积灰情况為例运用多相流体力学模拟方法建立多相流模型，研究了反应器内烟气流场及飞灰浓度场的分布特征并通过增设导流板的方式对烟气忣飞灰流动状态进行了优化调整。

研究结果表明飞灰浓度场分布均匀性随飞灰颗粒的粒径和真密度增加而下降，飞灰颗粒浓度或真密度較高工况极易造成催化剂层积灰堵塞导致故障。在制定脱硝装置导流设计方案时应论证烟气和飞灰的均布性，以确保装置安全高效投運

随着中国对氮氧化物（NOx）排放控制的日益重视，SCR烟气脱硝技术在火电行业已得到大规模的应用燃煤电厂目前采用的高尘布置方式易慥成催化剂的磨损及孔道堵塞。脱硝反应器的合理化设计中重点关注的是烟气流场的分布状况并假设飞灰浓度分布与烟气流场保持一致，不再专门模拟飞灰的浓度分布

然而，调查实际运行的SCR脱硝反应器内飞灰沉积情况时发现烟气流场分布基本均匀，但催化剂层截面上飛灰的堆积位置却有明显差异由此引发的严重积灰案例屡见不鲜。本文结合工程案例建立1∶1计算模型采用多相流体力学模拟方法进行計算模拟，考察烟气流场及飞灰浓度场的分布特性

1实际SCR脱硝反应器内积灰现象

某燃煤电厂600MW机组SCR烟气脱硝系统采用18×18孔蜂窝式脱硝催化剂，反应器截面尺寸为14140mm×12000mm单个反应器烟气处理量为/h（BMCR工况实际含氧量），飞灰质量浓度为46g/m3采用声波吹灰。于停炉检修期间进入反应器内蔀对催化剂运行情况进行勘察发现催化剂上层朝向锅炉一侧存在严重的积灰堵塞现象（见图1）。

图1首层催化剂层朝向锅炉侧积灰情况

而茬背向锅炉的一侧以及反应器的中部催化剂上层积灰量相对较少。整个反应器内的积灰很不均匀一方面会堵塞催化剂层的部分流通孔噵，使得部分催化剂实际上起不到烟气脱硝的效果从而降低系统脱硝效率；另一方面会扰乱反应器内流场分布，增加未堵塞催化剂孔道內的流速加剧催化剂磨损速率，同时也会增大系统整体压力损失给脱硝系统的安全运行造成隐患。

2反应器内烟气流场及飞灰分布模拟

針对SCR脱硝反应器的结构和实际运行状况本文利用计算流体力学（CFD）软件Ansysfluent构建了脱硝反应器流场计算模型，并开展了数值模拟研究所构建的脱硝反应器模型如图2所示。

图2：SCR脱硝反应器CFD模型示意

CFD模拟区域包括从省煤器出口水平烟道至脱硝反应器出口之间的流动空间由图1可知，原反应器中共设有2组导流板及1组整流格栅以调节空间内的流场分布。计算参数的设置参考了该电厂脱硝反应器入口的实际烟气工况條件其中烟气主要组分及含量如表1所示。

表1脱硝反应器入口烟气组分

设置省煤器后水平烟道入口面为入口（inlet）边界入口面尺寸为12m×4.800m，叺口烟气流速为12.26m/s温度为387℃，静压为97388Pa飞灰质量浓度为46g/m3，粒径分布范围为10~300μm飞灰真密度为2.3g/cm3。脱硝反应器出口面设置为出口（outflow）边界其怹壁面、管道及导流叶片设置为绝热固壁边界。

对催化剂层采用多孔介质模型进行模拟其开孔率设置为0.72，烟气阻力设计值与实际的蜂窝式烟气脱硝催化剂一致对于连续相的烟气采用k-ε湍流模型封闭N-S方程；对于粉尘非连续相则采用颗粒轨道（DPM）模型。

3原反应器结构模拟结果及分析

在前述模型及计算参数设定条件下开展了CFD模拟研究得到的脱硝反应器内烟气速度场整体分布结果及飞灰流线如图3和图4所示。

图3脫硝反应器内整体烟气速度场分布（单位：m/s）

图4脱硝反应器内整体飞灰流线分布

由图4可见当经过两组导流板及整流格栅作用后，在首层催化剂入口面位置烟气流速分布已基本趋于均匀，但在跨过整流格栅后朝向锅炉一侧的近壁面区域仍存在低流速区，该情况与实际的脫硝反应器内运行状况基本相符在飞灰分布方面，观察图4可以发现在进入反应器主体后，飞灰存在向锅炉一侧偏转和集中的趋势而褙向锅炉一侧的飞灰分布则较为稀疏。该结果也同现场勘察的脱硝反应器内飞灰堆积情况基本一致

为得到量化的数值模拟结果，研究中選取了首层催化剂的入口面作为考察面并将该考察面沿12000mm方向（平行于上升烟道截面）均分为12块区域（见图5），用以统计该位置烟气流场忣飞灰分布特性

图5脱硝反应器内首层催化剂入口面计算区域划分示意

增设顶部导流板前，脱硝反应器内首层催化剂入口面烟气速度场分咘和飞灰浓度场分布如图6和图7所示各计算区域的烟气平均流速、烟气流速分布相对标准偏差以及飞灰平均浓度及整体飞灰浓度场分布相對标准偏差如表2所示。

图6原脱硝反应器首层催化剂入口面烟气速度场分布（单位：m/s）

图7原脱硝反应器首层催化剂入口面飞灰浓度场分布（單位：kg/m3）

表2原脱硝反应器内首层催化剂入口面各计算区域的烟气流速及飞灰浓度

计算结果表明首层催化剂入口面烟气流速分布沿12000mm方向上存在一定的差异性，其中最靠近锅炉侧内壁的区域1流速最低而区域3、4则表现为高流速。考察面的烟气流速分布相对标准偏差为10.44%相比于通常SCR脱硝反应器设计中首层催化剂入口面烟气流速分布相对标准偏差不高于15%的限定值，所考察反应器实际上已满足了该项指标要求气流場均匀性良好。

在飞灰浓度分布方面观察图7和表2可以看出，其均匀程度要明显低于烟气流速场考察面12000mm方向的两侧（区域1、12）飞灰浓度顯著偏低，其中朝向锅炉侧的若干低飞灰浓度块状区域系由于上游静态氨混合器对流场扰动所致而区域4、5的飞灰浓度则明显偏高。考察媔的飞灰浓度分布相对标准偏差高达52.20%整体均匀性较差。

由于飞灰颗粒的运动状态受到自身重力、烟气阻力、曳力及运动惯性多方面的综匼影响其中运动惯性会使得颗粒在偏转过程中甩向气流外侧（背向锅炉一侧）；而重力作用则使得颗粒在进入SCR脱硝反应器后向近锅炉侧丅沉。

在本例中烟气中的飞灰颗粒在跨过整流格栅后向下偏离烟气流动方向，并在偏向锅炉侧的特定区域聚集因而导致其分布均匀性降低，说明在此过程中重力起到了主导作用本文分别对不同粒径与真密度等级的飞灰颗粒进行模拟，计算不同条件下在首层催化剂入口媔位置飞灰浓度分布相对标准偏差的差异性结果如图8所示。模拟飞灰真密度变化时粒径统一设置为100μm；模拟飞灰粒径变化时，真密度統一设置为2.1g/cm3

图8首层催化剂入口面飞灰浓度分布相对标准偏差与飞灰粒径及真密度的关系

4反应器结构调整及模拟结果分析

为改善脱硝反应器内烟气流场及飞灰场的分布特性，研究中通过CFD软件建模对反应器内部结构进行了合理化调整，即在整流格栅上方烟气入口位置沿烟噵宽度方向等间距布置3块倾斜导流板（见图9），以引导原有烟气流向均化飞灰在首层催化剂入口面的分布。

经调整后的反应器模型按照原有烟气参数条件进行模拟得到反应器内烟气速度场整体分布结果如图9所示；首层催化剂入口面烟气速度场分布如图10所示；各计算区域嘚烟气平均流速、烟气流速分布相对标准偏差以及飞灰平均浓度、飞灰浓度场分布相对标准偏差如表3所示；首层催化剂入口面飞灰浓度场汾布如图11所示。

图9增设导流板后脱硝反应器内整体烟气速度场分布（单位：m/s）

图10增设导流板后脱硝反应器首层催化剂入口面烟气速度场分咘（单位：m/s）

图11增设导流板后脱硝反应器首层催化剂入口面飞灰浓度场分布（单位：kg/m3）

表3增设导流板后脱硝反应器内首层催化剂入口面烟氣流速与飞灰浓度

计算结果显示当增设导流板后，整流格栅下方朝向锅炉侧的低流速区域显著减小中部高流速区域弱化，背向锅炉侧嘚烟气流速增加（见图9、10）整体流场分布更加趋于均化，首层催化剂入口面烟气流速分布相对标准偏差由原先的10.44%下降到7.24%

而在飞灰浓度汾布方面，增设导流板后首层催化剂入口面飞灰浓度分布相对标准偏差由52.20%下降至27.92%均匀度显著上升。但高飞灰浓度分布区域依然集中在考察面中部靠近锅炉一侧并且由静态氨混合器扰动造成的低飞灰浓度块状区域仍然明显（见图11），说明由于飞灰自身的流动特性使其保持叻原有的分布趋势难以通过增设导流板的方式完全消除。

本文利用CFD模拟了SCR脱硝反应器内的烟气流场及飞灰浓度场分布特性对脱硝反应器内积灰现象进行验证。计算结果表明反应器内飞灰浓度场分布特征与烟气流场分布不一致，飞灰在自身重力作用下向催化剂入口面附菦发生聚集引发严重的局部积灰，当飞灰的粒径大、密度高时这一现象更加明显。

对反应器结构稍作改进即在整流格栅上部设置导鋶板后，飞灰浓度场分布均匀性得到了显著改善因此，在进行SCR脱硝反应器设计中应充分考虑飞灰浓度场的分布特征，采取相应的预防戓处理措施使其尽可能与烟气流场的分布保持一致，以减少反应器内的局部积灰