燃煤电站SCR烟气脱硝CFD技术的分析进展.docx

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1、燃煤电站SCR烟气脱硝CFD技术的分析进展选择性催化复原（SCR）烟气脱硝技术虽然应用广泛，但催化剂磨损、堵塞及复原剂与烟气混合不均等问题时有发生,CFD技术可多角度模拟现场情况，有助于问题的解决.对国内外燃煤电站SCR烟气脱硝CFD技术的研究开展了综述,在对文献开展梳理的根底上，阐述了计算流体力学CFD软件在SCR烟气脱硝模拟中的应用情况。其主要领域包括：流场模拟、组分浓度场模拟、气固两相流模拟、化学反应模拟等.指出合理均匀的流场是整个SCR系统经济安全运行的根底；耦合详细反应机理的SCR模型与锅炉燃烧、SNCR等模型的联合模拟是未来研究的重点.选择性催化复原（SCR）烟气脱硝技术作为一种高

2、效的NOx控制技术,在燃煤电厂得到广泛的应用。然而，由于燃煤机组负荷、煤质多变且现场运行缺乏理论指导,SCR烟气脱硝系统在投运过程中往往出现较多问题。虽然国内外学者对SCR数值模拟技术做了较多研究，但其仍未完全成熟，主要有以下因素NDSCR模拟一般是在假设反应器入口速度、组分浓度、温度等边界参数均匀分布的根底之上开展的；（2）SCR反应器内复杂的化学反应及气固两相流动过程，靠单一的CFD软件难以实现。本文对国内外关于SCR数值模拟的文献开展了梳理和总结，在介绍SCR关键技术的同时指出其在工程运行中存在的问题，为数值模拟研究提供借鉴。1流场的数值模拟SCR烟气脱硝系统如图1所示。SCR烟气脱硝反

3、应器（以下简称SCR反应器）通常布置在省煤器与空气预热器之间，受场地及空间位置等因素的制约,SCR反应器前往往存在1个或多个变截面烟道。变截面烟道会加剧反应器内流场的不均匀性，并且增大系统的压降。在设计SCR烟气脱硝系统时,对反应器内喷氨格栅截面和首层催化剂入口截面速度的均匀性有严格要求，即这2个截面速度相对偏差系数均应控制在15%以内。其中.喷氨格栅截面流场的均匀性可通过对变截面炯道及转角烟道导流板的布置予以控制.其均匀与否直接影响格栅的调控及混氨效果。文献针对SCR反应器变截面烟道处导流板的布置开展研究.得到导流板的布置角度对喷氨截面烟气速度影响的规律;文献以660MW燃煤机组SCR反应器

4、为研究对象.模拟比照了3种不同形状导流板对流场的影响.发现直弧形状的导流板整流效果最理想：文献通.过模拟发现.在直角弯道处添加直弧形状的导流板能有效提高低速区炯气的流速.但导流板数量过多会增大系统压降。上述研究均通过对SCR反应器烟道导流板的设计到达改善流场分布的目的。另外.通过对导流板的设计可解决温度分布不均以及积灰的问题：文献通过在SCR反应器前急转炯道处布置导流板.解决了首层催化剂入口烟气温度分布不均问题；文献通过在挡板门上部添加导流板提高炯气流速.从而解决挡板门上部的积灰问题。由此可见，SCR反应器内的流场分布还会影响到烟气温度场及飞灰的分布。进入催化剂层烟气流速的分布可通过整流格栅的

5、设计来优化：文献模拟研究了整流格栅导板之间的距离、导板与竖直方向的夹角以及导板长度等因素对流场的影响.最终确定了最正确的整流格栅布置方式；文献研究了整流格栅高度与首层催化剂人口烟气入射角之间的关系.发现格栅高度越高，娴气入射角越小；文献对分层整流器开展研究.指出双层错位式布置的整流格栅对烟气有更好的整流效果.整流格栅设计不合理会影响到进入首层催化剂的气流分布,危害催化剂；文献通过冷态实验与数值模拟相结合的方式.研究了首层催化剂局部磨损的问题，发现由于整流器与上转角弯头出口存在高度差.导致气流形成强漩涡.从而导致催化剂的磨损。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

6、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

7、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.得到了混合器的最正确设计方案；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说明.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

8、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

9、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.研究说明:催化剂上方的横梁构造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

10、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“爆米伤”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

11、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.开展了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N0,质量浓度控制在90mgm3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根底。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。中国电力赵大周，刘沛奇，何胜，郑文广