燃煤电站SCR烟气脱硝CFD技术的研究进展

2组分浓度场的数值模拟

首层催化剂入口氨氮摩尔比的均匀程度是影响脱硝反应的主要因素之一．而喷氨格栅的设计与调控以及静态混合器的开发与利用是提高混氨效果的关键。文献通过数值模拟研究了喷氨格栅喷嘴口径、喷嘴数量等因素对混氨性能的影响．发现喷嘴数量多、口径小可提高混氨效果。

文献通过数值模拟确定了分区喷氨策略中各分区的喷氨量．从而有效提高了首层催化剂上方氨氮摩尔比的均匀程度．同时可以省略扰流管等内部构件，减小系统的压降及复杂性。文献通过数值模拟方法获得的喷氨策略对娴气速度不均有很好的适应性．并且可有效解决SCR反应器出口局部氨逃逸浓度过高的问题。文献通过数值模拟与实验相结合的方法．研究了喷氨截面速度场对混氨特性的影响规律．为喷氨格栅的调节提供了理论依据。

静态混合器不仅具有良好的混氨效果而且可大大简化喷氨系统，文献研究开发了“V”型静态混合器．通过模拟发现“V”型静态型混合器不仅有较好的混氨效果．而且能够简化调节控制系统．同时可允许喷嘴口径设计得较大．可防止喷嘴堵塞．但该混合器的缺点是会增大系统的压降且易积灰；

文献针对SCR静态混合器的半径及安装角度对混氨特性的影响展开模拟研究．得到了混合器的最佳设计方案；文献在SCR反应器的水平娴道处安装了格栅型混合器．从而增强了炯气在径向上的混合．有效提高了混氨效果．模拟结果得到了实验的验证。

文献通过数值模拟研究表明．静态混合器的使用可使首层催化剂入口氨氮摩尔比的相对偏差系数由17％降低至7％。而文献通过实验研究与数值模拟相结合的方法．研究了SCR反应器内速度分布与组分浓度分布的关系．并提出了一种间接测量首层催化剂入口速度分布的方法．研究结果同样为喷氨格栅的调控提供了依据。

3引入离散相的数值模拟

在整个脱硝系统中．催化剂是其核心．如何确保催化剂在寿命周期内维持良好的状态．甚至延长催化剂的寿命．对脱硝系统乃至整个燃煤机组意义重大。

而最近几年．已投运的SCR脱硝系统中催化剂堵塞及磨损的问题逐渐暴露(见图2、3)，催化剂的磨损不仅降低了催化剂的机械寿命．而且减小了催化剂的比表面积．严重影响脱硝效果：催化剂的堵塞则会增大系统压降．减小流通截面积，加剧催化剂的磨损．同样缩短催化剂寿命和影响脱硝效率．

目前，SCR烟气脱硝的数值模拟大多针对流场及组分浓度场．而SCR反应器内飞灰浓度场的模拟研究文献较少。文献针对350MW机组SCR反应器首层催化剂局部磨损严重问题展开了研究．指出整流格栅上方的导流板布置存在一定的偏斜角度．导致进入首层催化剂的烟气速度分布不均．靠近前墙位置烟气流速高并且入射角度大．以及前墙位置较大的飞灰负荷共同作用．造成了前墙侧催化剂的严重磨损；

文献采用冷态实验与数值模拟相结合的方法研究了某660MW燃煤机组SCR反应器首层催化剂磨损的原因．研究表明：催化剂上方的横梁结构是造成催化剂磨损的主要因素．烟气略过横梁在催化剂表面形成两股高速的含尘气流对催化剂造成冲刷磨损。

综合研究结论可看出：催化剂磨损是高速气流及飞灰共同作用的结果。因此，应确保进入首层催化剂的烟气流速分布均匀．以防止局部高速区对催化剂造成的磨损和局部低速区对催化剂造成的堵塞。

降低飞灰浓度也是防止催化剂磨损及堵塞的重要措施：在省煤器下部及灰斗壁面处加一些“钩状板”可有效防止二次扬尘．并且能够提高飞灰的捕集率；文献通过模拟指出，直弧形导流板的使用不仅可以起到整流的作用．而且可以改善反应器内飞灰沉积的情况；文献通过模拟提出了在省煤器与灰斗之间安装一块挡板的方法．以提高粒径较大的“爆米仡”形状飞灰捕集率。

4引入化学反应的数值模拟

随着数值模拟技术的发展．研究者们对SCR烟气脱硝系统的模拟不仅仅局限于流场及组分浓度场等方面．针对CFD软件中如何实现脱硝反应也展开了相应的研究．并且对于整个脱硝系统而言．获得高脱硝效率以及低逃逸氨浓度才是最根本的目的。

文献利用F1uent提供的涡耗散概念(EDC)模型．进行了SCR反应器内化学反应的数值模拟．以此优化了反应器烟道内导流板的布置方式．将逃逸氨浓度控制在较低水平：文献[291在充分考虑内外扩散现象的基础上．通过FluentUDF自编程实现了脱硝反应氨氮摩尔比大于l时脱硝反应的数值模拟．模拟结果与实验数据吻合良好。然而．以上学者大多针对氨氮摩尔比大于1的模拟环境．因此模型有一定的局限性。

随着计算机运算能力的提升以及数值模拟技术的进一步发展．利用CFD耦合Chemkin软件(化学反应模拟软件)模拟SCR反应器内表面催化还原反应的方法更多地应用于T程实际中．该方法实际为耦合详细反应机理的计算方法．充分考虑烟气组分在催化剂内的流动、传质传热、吸附以及微观表面反应等过程．且不受氨氮摩尔比等条件的制约．从而使模型更具有实际T程意义。

文献通过耦合一维反应机理的方式，建立了j维SCR反应器模型．通过模型研究了喷氨方式以及烟气在催化剂层中的停留时间对脱硝反应的影响．模拟结果可有效指导SCR反应器的设计：文献同样利用CFD耦合一维SCR反应机理的方式．模拟了三维SCR脱硝反应．

研究了反应器内速度分布不均以及氨氮摩尔比分布不均对脱硝反应的影响；文献建立了含有锅炉燃烧与选择性非催化还原(SNCR)两者相结合的模型。模型同时耦合了包括煤粉燃烧与SNCR脱硝共计105个反应的详细反应机理．

研究NOx的产生与脱除规律，模拟结果得到了实验的验证；文献]建立了包括锅炉、SNCR脱硝、SCR脱硝三者相结合的CFD模型．该模型同样耦合了煤粉燃烧机理、SNCR脱硝反应机理以及SCR脱硝反应机理，模型实现了SCR反应器非均匀的入口条件．模拟研究了NOx的产生与脱除之间的关系以及氨气在整个模型中的分布规律。文献通过CFD数值模拟．制定了SNCR+SCR烟气联合脱硝工艺，将锅炉出口烟气NO，质量浓度控制在90mg／m3以下，实现了中困重点地区NO，达标排放。

5结语

计算流体力学CFD软件具有高效、快捷、方便等优点．可有效指导SCR反应器的设计及优化改造。通过以上综述可知：SCR反应器内的流场不均不仅对组分分布和脱硝反应产生影响．同时会造成催化剂的磨损．因此认为SCR反应器内均匀合理的流场是整个脱硝系统得以经济安全运行的基础。

随着计算机性能的提升以及数值模拟技术的完善．i维流动与详细反应机理耦合的SCR脱硝模型，及其与锅炉燃烧模型、SNCR脱硝模型的联合模拟．以及多种污染物协同控制的模拟研究．将是未来研究的重要方向。

《中国电力》作者：赵大周，刘沛奇，何胜，郑文广

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