基于CFD建模的1000MW电站锅炉SCR脱硝系统喷氨策略优化

北极星环保网讯:摘要：以某1000MW电站锅炉的选择性催化还原(SCR)脱硝系统为研究对象,入口截面采用现场实测流场和NO_x浓度场分布数据,对耦合反应器内的湍流流动、多组分混合及化学反应进行了基于CFD建模的数值计算研究,并基于氨氮比一致分配理论,利用数值模拟多次试算获得最优喷氨策略,对该最优喷氨策略进行现场验证.

结果表明:实际入口为非均匀流场和浓度场,采用均匀喷氨策略,催化剂上部截面氨氮比及出口附近测点位置氨气浓度分布极度不均,氨逃逸严重;现场验证实验表明,本文方法确实可有效地指导喷氨优化调整,降低调整盲目性,提高现场工作效率.

关键词：SCR脱硝；喷氨优化；NOx浓度场；化学反应；数值模拟；

根据最新国家标准GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，2012年1月1日起新建力发电锅炉机组NO，排放质量浓度不大于100mg/m3，2014年7月1日起现有机组NO，排放质量浓度不大于100mg/m3.因此，选择性催化还原(SCR)脱硝系统成了火力发电机组必不可少的一部分.

烟气SCR装置在设计阶段通常会进行流场模拟和物理模型实验，对烟道内的流场进行优化.但由于人口气流情况复杂，设计阶段的优化往往不能代表真实流场情况，喷氨格栅采用均匀喷氨方式，使得SCR装置出口截面NO，浓度场分布偏差大，而部分区域氨逃逸超标也会影响系统整体的脱硝效果，增加空气预热器的硫酸氢铵腐蚀和堵塞风险，给系统的经济稳定运行带来极大危害.

因此，有必要对SCR装置进行喷氨优化调整，即通过调节每根喷氨支管上的阀门开度，改变不同位置的喷氨量，从而改善出口Np，浓度场分布均匀性.但由于实际SCR反应器结构复杂，若没有合理的理论指导，仅依靠经验调整来实现出口N()，浓度场的均匀性耗时长、效率低、难度大.凌忠钱等一h数值计算了某300MW锅炉的SCR脱硝系统，针对不同导流板布置方案，计算了其内部流场和浓度场分布，最终获得了符合设计要求的导流板布置.

雷达等[2一运用数值模拟方法研究了喷氨格栅处烟气速度变化对SCR反应器导流板和整流格栅作用、还原剂混合及脱硝效率的影响.Zukerman等口j对SCR装置进行了优化设计，证明了在喷氨格栅后加装静态混合器对改善流场和浓度场分布具有显著作用.

Jin等一扎对燃气轮机脱硝系统进行了建模分析，通过对AIG进行分块，对比了不同喷氨策略下出口NO，浓度场分布，最终获得了最优喷氨分布方案.已有很多学者对SCR脱硝系统进行了数值模拟和冷态实验研究，但大部分集中在对导流板布置方案进行设计及对系统结构进行优化，以获得催化剂上部截面更加均匀的流场和浓度场，且绝大多数SCR脱硝系统模拟入口采用均匀的流场和浓度场，喷氨参数也为设计参数.

然而，实际SCR脱硝系统的现场测试表明，SCR装置入口的流场和NO。浓度场往往是不均匀分布的.笔者以现场实测的非均匀流场和浓度场及运行的喷氨参数作为CFD模拟的输入条件。将计算的出口参数与实测值进行比较，验证模型的正确性.对比了不同喷氨策略下出口NO，浓度场分布，最终获得最优喷氨策略，并采用此方法进行了现场试验，与模拟结果吻合良好.

1数学模型与计算方法

1.1三维模型及网格划分

以某1000MW电站锅炉SCR脱硝系统为建模对象，忽略反应器内各种支撑钢架结构.图1为该SCR脱硝系统结构图，烟气从喷氨格栅上部测点位置平面进入，依次通过喷氨格栅、混合器、导流板，分左右两路进入整流格栅、三层催化剂，然后从空气预热器前出口离开，下部测点位置位于出口上部5m处.

对整个系统进行分区划分网格，喷氨格栅、混合器和导流板采用非结构网格划分，喷嘴位置处局部加密，整流格栅进行全尺度网格划分，可以更加真实地反映气流流过整流格栅的情况，由于催化剂层结构复杂，故将其设为多孔介质区.其他规则区域采用六面体网格.共划分378万个网格.

图1系统结构及网格划分

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