SCR法烟气脱硝技术的数值模拟研究

SCR法烟气脱硝技术的数值模拟研究纪春利1张智达2(1.东北电力大学能源与动力工程学院火电厂集控运行专业14届毕业生，吉林，吉林132012；2.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林，吉林132012)摘要：随着我国电力行业的蓬勃发展，火电厂氮氧化物的排放量也日益增长。选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术由于其具有脱硝效率高、运行可靠等优点，现已成为国内外应用最广泛的烟气脱硝技术之一。本文利用FLUENT数值计算软件，对SCR脱硝技术方案进行模拟计算。通过对SCR系统全面研究，建立三维模型，并确定合理的数学模型，对烟道、反应器、喷氨系统以及催化剂层区域进行了模拟计算。通过模拟结果对SCR系统的导流装置以及喷氨格栅进行不断地调整和布置，最终获得了比较满意的结果。关键词：选择性催化还原，烟气脱硝，数值模拟中图分类号：文献标识：1引言我国的能源结构以煤炭为主，因此决定了我国的电站建设以燃煤为主，而火电厂的污染物排放将给当前的环境带来巨大的压力。燃煤电厂在生产过程中会产生大量的有害污染物排入到大气中，主要有粉尘、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和有害金属元素等[1]。这些污染物对环境和人体都造成了极大的伤害。在SOx排放控制方面，我国已经开始广泛地采用烟气脱硫技术并取得了一定成效。随着环保标准的日益严格，在NOx排放控制方面，我国已经高度重视，并开始采用多种措施来减少NOx的排放。近些年来,在对于NOx污染的控制方面人们做了大量的研究工作,并且开发出了许多新的工业应用技术。其中SCR法脱硝效率高，可达90％以上，运行可靠，无二次污染，是目前国内外应用最多且是最为成熟的烟气脱硝技术之一。2SCR烟气脱硝技术选择性催化还原法(SelectiveCatalyticReduction，简称SCR)是指将氨、烃类等还原剂(电厂多用氨)喷入烟气中，利用催化剂将烟气中的NOx转化为N2和H2O。在氨选择催化反应过程中，NH3可以选择性地和NOx发生反应，而不是被O2氧化，因此，反应又被称为“选择性”。主要反应式[2,3]：4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O6NO+4NH3→5N2+6H2O2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O6NO2+8NH3→7N2+12H2OSCR反应器可以安装在锅炉之后的不同位置，布置方式有三种：高温高尘、高温低尘及低温低尘的布置形式。1.高温高尘布置方式是指将SCR反应器布置在省煤器和空气预热器之间，其优点是催化反应器处于300~400℃的温度范围内，有利于反应的进行，但是由于催化剂处于高尘烟气中，条件恶劣，磨刷严重，寿命将会受到影响。2.高温低尘布置方式是指SCR反应器布置在空气预热器和高温电除尘器之间，该布置方式可防止烟气中飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损与堵塞，其缺点是在300~400℃的高温下电除尘器运行条件差。3.低温低尘布置(或称尾部布置)方式是将SCR反应器布置在除尘器和烟气脱硫系统之后，催化剂不受飞灰和SO2的影响，但由于烟气温度较低，仅为50～60℃之间，一般需要气气换热器或采用燃烧器将烟气温度提高到催化剂的活性温度，从而将会增加能源消耗和运行费用。因为SCR脱硝还原反应所需要的温度恰好是烟气经过锅炉省煤器与空气预热器之间时候的温度，如果在省煤器与SCR反应器间的适当位置将氨喷射进来，烟气就能够与氨充分进行混合，随之与NOx在反应器内发生反应，这种情况下的脱硝效率比较好，通常会超过80%，所以，目前火电厂中应用最广泛的SCR脱硝布置方式当属高温高尘布置。一般情况下，SCR烟气脱硝系统包括氨的存储系统、氨/空气喷射装置、催化剂生成装置、省煤气旁路系统、SCR旁路系统以及检测控制系统等五部分组成。最初经液氨罐车将液氨运送到液氨储罐，从液氨储罐出来的液氨在蒸发器内变为气态，然后将氨气加热至常温状态，放进氨气缓冲槽中进行储存。当系统开始运行，缓冲槽内的氨气需要被降压，再到氨/空气混合器里和来自送风机的空气进行混合，再到达烟道内布置的喷氨格栅，之后与烟气在静态混合器内进行充分的混合，最后一同进入SCR反应器。影响SCR系统运行的因素有：反应器内烟气的空间速度(SV)、氨逃逸率、反应部分的温度影响、NH3/NOx的摩尔数比值影响、烟气的流动型态及其与氨气的紊流混合等。3SCR烟气脱硝系统数值模型SCR系统设计与运行的关键技术之一就是如何保证SCR反应器入口的烟气流速分布、烟气温度分布以及NOx与喷入氨的浓度分布相一致，以得到较高的脱硝效率并避免氨逃逸。由于SCR系统复杂、设备庞大，如果采用常规的研究方法进行试验台研究，或对已投运装置进行实物试验都是不经济也不现实的[4]。随着近代力学和计算机软硬件技术的发展，对SCR反应器进行全尺寸的数值模拟已成为可能。烟气、飞灰及氨在催化剂层进出口的分布好坏直接影响脱硝效率，因而氨/空气混合系统、SCR反应器及其连接烟道的布置及设计在整个SCR工程中占据着重要地位。通过利用FLUENT流场数值计算软件对SCR反应器及其相关烟道系统的一系列烟气流场变化进行数值模拟，达到NH3和NOx的最佳湍流混合，确保速度分布、还原剂浓度分布最佳，压力降低最小，实现SCR装置的预期性能目标。SCR脱硝系统的工作过程主要有设计反应器的结构，在烟道和反应器里面烟气同氨气的紊流状态、流体间的传热传质过程、多种组成成分之间的混合还有化学反应过程等。本课题重点模拟烟道和反应器内的烟气流动情况。对流体做理想化的假设：烟气用空气代替并且为定常流动；在分析煤质过程忽略烟气里的灰分；在流动过程中，可能的化学反应被忽略；系统处于绝热状态。对于我们所研究的课题，可以参考Launder等国外学者推荐的经验值，也可以根据后来人实验验证的标准值，建立相应的标准k-ε模型，一般模型可以将经验值设定为：1C=1.4，2C=1.93，C=0.08，k=1.0，=1.3。4SCR脱硝系统的数值模拟为了以后的计算和进一步研究方便，本文将该电厂的SCR装置按照1:10的比例缩小，该电厂的机组在BMCR工况下省煤器出口烟气流速为26m/s，烟气温度为350℃。SCR装置设计图(1)，AB为进口，CD为出口，反应器各边长的数据已在图中标出。图(1)SCR装置设计图形通过对没有设置导流板的烟道进行模拟，可以得出流场速度分布图(a)，烟气经过前部烟道到达转弯处时，它的流线产生变化而弯曲，流体会因为惯性作用而冲向外侧壁面，这样一来，烟气在竖直烟道左侧与右侧会形成较大的速度差，飞灰中的颗粒容易堆积在左侧，因为那里烟气的流速较小，相反地，烟气在右侧的流速比左侧大，会强烈摩擦烟道内壁，使烟道的寿命明显缩短，另外因为速度不均会造成附加的流动沿程损失。从图(b)可以看出，压力分布在烟道弯曲段内外两侧也十分不均，这样会产生漩涡造成二次回流，增加了烟气流动过程的局部损失。图(a)无导流板的烟道流场速度分布图图(b)无导流板的烟道流场压力分布图图(2)无导流板的烟道流场分布图如果在流道中加装导流板，会大大改善流动状态，能够使氨气与烟气更加均匀的混合，所以我们拟采用加装导流板的方式对烟道内流场进行调整，这样使烟气在出口处均匀分布；若加装不同数量的导流板，造成的能量损失也有差异，这样一来，就要综合考虑烟气均匀分布和能量损失两方面的情况。既要混合均匀，又要尽可能的减少附加的损失。下面对加装不同数量导流板的情况分别进行了模拟，依据计算结果分析烟道和反应器内流场的分布情况进一步确定导流板的合理数目，这里我们研究的流动参数主要指速度和压力。如果在流道中加装导流板，会大大改善流动状态，能够使氨气与烟气更加均匀的混合，所以我们拟采用加装导流板的方式对烟道内流场进行调整，这样使烟气在出口处均匀分布；若加装不同数量的导流板，造成的能量损失也有差异，这样一来，就要综合考虑烟气均匀分布和能量损失两方面的情况。既要混合均匀，又要尽可能的减少附加的损失。下面对加装不同数量导流板的情况分别进行了模拟，依据计算结果分析烟道和反应器内流场的分布情况进一步确定导流板的合理数目，这里我们研究的流动参数主要指速度和压力。依据上述同样方法等距加装六块相同导流板，第一块距离烟道内壁0.07m，半径0.15m，弧长0.24m，第二块与第一块间距也为0.074m，其它4块导流板依次加装。模拟而得流场速度与压力分布如图(3)所示。依据上述同样方法等距加装九块相同导流板，第一块与烟道内壁的距离为0.052m，半径0.15m，弧长0.24m，第二块与第一块间距也为0.052m，其它的7块导流板按此方法加装。模拟而得流场速度与压力分布如图(4)所示依据上述同样方法等距加装12块相同导流板，第一块与烟道内壁的距离为0.04m，半径0.15m，弧长0.24m，第二块与第一块间距也为0.04m，其它的7块导流板按此方法加装。模拟而得流场速度与压力分布如图(5)所示。上面对烟道弯曲处设置6个、9个、12个导叶时分别进行了数值模拟，发现随着导叶数目的增加，烟道内流体的速度和压力分布越来越均匀。当设置9个和12个导叶时烟竖直烟道和水平烟道内流体的速度分布都较为均匀，但是设置12个导叶时，烟道后面的反应器内流体速度和压力的分布要比设置9个时的更为均匀。如果再继续增加导叶的数目，会使导叶间的缝隙变得更小，当烟气流过时，(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图图(3)布置6块导流板的烟道流场分布图(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图图(4)布置9块导流板的烟道流场分布图(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图图(5)布置12块导流板的烟道流场分布图容易发生堵塞，并且设置过多的导流板会增加系统负荷。因此，最终确定了再烟道弯曲处设置导叶的数目为12个。确定了导流板的数目以后，下一步要做的是确定导流板的型式，比较常用的是弧形导流板，下面对弧形导流板进行详细的模拟计算。分别在烟道弯曲处布置(1)弧长和间距都不变的导流板，(2)只逐渐增大弧长的导流板，(3)只逐渐增大间距的导流板，(4)弧长和间距都逐渐增大的导流板。进一步通过数值模拟得到流场分布如图(6)。(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图(1)布置弧长和间距都不变的导流板(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图(2)布置只逐渐增大弧长的导流板(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图(3)布置只逐渐增大间距的导流板(a)烟道流场速度分布图(b)烟道流场压力分布图(4)布置弧长和间距都逐渐增大的导流板图(6)不同型式导流板的数值模拟图(7)烟道检测段布置图上面对烟道内安装不同型式的导流板进行数值模拟，为了研究烟道内流场的分布的具体情况，分别在竖直烟道和水平烟道内设置MN和XY两处检测段（如图7），并监视布置不同型式导流板时MN和XY处的速度分布。通过对没有布置导流板的烟道进行模拟,可以得出该情况下，竖直烟道内流场速度分布曲线和水平烟道内流场速度分布曲线（如图8）。其中，竖直烟道内流场速度分布曲线图的横坐标数值从小到大与竖直烟道检测段最左端到最右端相对应；水平烟道检测段最下端到最上端对应的是4-10图中横坐标从小到大的数值。从图(8)中可以看出：图(a)烟道竖直段烟气速度主要分布在13m/s～34m/s区间内；图(b)水平烟道内烟气速度主要分布在17m/s～30m/s区间内。可知，在烟道内没有布置导流板时，监视段的速度分布差异较大且分布不均匀，不利于烟气与氨气的均匀混合，还会造成设备寿命下降及产生大量的沿程损失。通过对布置不同类型的导流板的烟道进行模拟,得出竖直烟道内流场速度分布曲线和水平烟道内流场速度分布曲线（如图9）。其中，图(9)中的(0)为没有布置导流板时速度分布曲线、(1)为布置弧长和间距都不变的导流板时速度分布曲线、(2)为布置只逐渐增大弧长的导流板时速度分布曲线、(3)为布置只逐渐增大间距的导流板时速度分布曲线、(4)为布置弧长和间距都逐渐增大的导流板时速度分布曲线。(a)竖直烟道内流场速度分布曲线(b)水平烟道内流场速度分布曲线图(8)没有设置导流板时烟道内流场速度分布曲线从图(