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SCR煙氣脫硝裝置煙氣流場數(shù)值模擬

文檔作者：楊超，張杰群，郭婷婷文檔來源：北京國電龍源環(huán)保工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年03月11日
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第32卷第1期
2012年2月
東北電力大學(xué)學(xué)報
Journal Of Northeast Dianii University
Vo1．32．No．1
Feb．，2012
文章編號：1005—2992(2012)01—0066—05
SCR煙氣脫硝裝置煙氣流場數(shù)值模擬
楊 超，張杰群，郭婷婷
(北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京100039)
摘 要：采用FLUENT軟件對某600 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得了3種方案
的速度場。結(jié)果表明：煙氣和NH 在反應(yīng)器內(nèi)速度場和濃度場分布是否均勻直接影響SCR技術(shù)的脫硝
效果。加裝導(dǎo)流葉柵和整流格柵，反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口斷面煙氣速度不均勻性小于15％ 。在獲
得最佳流場的前提下，渦流混合器保證了氨與煙氣在反應(yīng)器中的充分摻混。數(shù)值計算結(jié)果為導(dǎo)流板、混
合器的設(shè)計及合理配置等提供重要參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：SCR脫硝；數(shù)值模擬；渦流混合器；氣流分布
中圖分類號：X511 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
隨著我國對氮氧化物(NOx)排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，以燃煤為主的火電廠如何減少氮氧化物的排放越來
越受到重視。在眾多的脫硝方法中，選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術(shù)具有脫硝效率高、運(yùn)行可靠、
無副產(chǎn)物、裝置結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在世界上得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，對SCR脫硝技術(shù)的研究主要集
中在脫硝反應(yīng)器流場優(yōu)化和催化劑的研發(fā)上，如何提高脫硝效率，延長催化劑的壽命等相關(guān)問題是研究
的熱點(diǎn)。隨著計算流體力學(xué)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用高效、便捷的計算流體力學(xué)軟件對SCR脫硝系
統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，可以為脫硝反應(yīng)器煙道、導(dǎo)流板及噴射系統(tǒng)的設(shè)計和改進(jìn)提供重要參數(shù)¨ 。
文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了SCR脫硝小型試驗、中間試驗、反應(yīng)器混合與均流冷態(tài)實(shí)驗、以及SCR脫硝數(shù)值模
擬?；赟CR數(shù)學(xué)模型并采用概率分布描述反應(yīng)物的不均勻性，提出了一種對反應(yīng)物不均勻性對脫硝
性能的影響的模擬分析方法。文獻(xiàn)[4，5]以600 MW 電廠選擇性催化還原反應(yīng)器為研究對象，采用Flu—
ent軟件，進(jìn)行反應(yīng)器內(nèi)流場的數(shù)值模擬，得出較合適的導(dǎo)流板形態(tài)及流場，研究結(jié)果對脫硝系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)流
裝置和噴氨格柵的設(shè)計和改進(jìn)提供參考。文獻(xiàn)[6]對SCR預(yù)分布器系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，導(dǎo)流
板的位置對催化劑人口截面上的速度分布影響較大；噴氨格柵的結(jié)構(gòu)與催化劑入口截面上的濃度場分
布有密切的關(guān)系。文獻(xiàn)[8，9]采用數(shù)值模擬與物理模型試驗相結(jié)合的方法研究1 000 MW級SCR反應(yīng)
器內(nèi)部流動與摻混特性，給出了渦流混合器的布置方案和噴氨流量調(diào)節(jié)方案。
本文以某600 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)為原型進(jìn)行數(shù)值模擬，針對雙SCR反應(yīng)器、渦流混合器
等具體方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，獲得BMCR工況下的流場。
1 幾何模型與網(wǎng)格劃分
對于實(shí)際燃煤電廠的脫硝裝置的設(shè)計，采取措施保證脫硝反應(yīng)器中催化劑人口截面氣體速度和反
應(yīng)物分布的均勻性是主要技術(shù)關(guān)鍵。本文根據(jù)設(shè)計要求確定計算方案，確定SCR反應(yīng)器、導(dǎo)流葉柵、整
流板、渦流混合器等主要流動部件的幾何模型，提高第一層催化劑人口前氣流均勻性，使氨氣和氮氧化
收稿日期：2011—11—14
作者簡介：楊超(1978一)，女，北京市人，北京國電龍源環(huán)保工程有限公司工程師，主要研究方向：脫硫、脫硝等火電廠大氣污染控制
技術(shù)研究．
第1期 楊超等：SCR煙氣脫硝裝置煙氣流場數(shù)值模擬 67
物充分混合，提高脫硝效率。此模型的幾何尺寸是按SCR系統(tǒng)的實(shí)際尺寸構(gòu)造，幾何模型如圖1所示。
本工程氨噴射系統(tǒng)采用渦流混合器，它具有煙氣適應(yīng)性強(qiáng)、混合效果好、噴射孔數(shù)量少、不需要維護(hù)
等特點(diǎn)，稀釋后的氨氣通過管道噴射到駐渦區(qū)內(nèi)，在渦流的強(qiáng)制作用下充分混合，達(dá)到催化劑人口混合
度均勻的技術(shù)要求。
網(wǎng)格的生成采用FLUENT軟件的前處理軟件GAMBIT，根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)器模型的構(gòu)造，對反應(yīng)器
進(jìn)行了分區(qū)劃分，結(jié)構(gòu)規(guī)則直線段煙道區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分，在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、流場變化大
的區(qū)域(比如煙道拐角處與催化劑部分的連接煙道處等)則采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格或混合網(wǎng)格劃分?？?
慮到計算精度及計算機(jī)的運(yùn)算能力，在設(shè)置導(dǎo)流板的煙道拐角處和噴射格柵所在的噴氨煙道部分，進(jìn)行
網(wǎng)格加密，如圖2，網(wǎng)格數(shù)量約為150萬。
圖1 SCR系統(tǒng)幾何模型
2 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值計算方法
圖2 網(wǎng)格劃分
大型電站鍋爐中，選擇性催化還原煙氣脫硝過程是十分復(fù)雜的，它涉及到反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，煙氣
與還原劑在煙道和反應(yīng)器里面的湍流流動，傳熱傳質(zhì)，多組分輸運(yùn)，化學(xué)反應(yīng)等過程。由于條件所限，在
建立模型之前需對實(shí)際過程作如下一些近似假設(shè)：
實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)出口溫差較小，系統(tǒng)絕熱；實(shí)際系統(tǒng)漏風(fēng)較小，因此不考慮系統(tǒng)的漏風(fēng)；煙氣中灰分對本
文研究內(nèi)容影響較小，因此不考慮灰分的影響；在反應(yīng)器上游煙道中，煙氣各組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；流動
是定常流動；流體物性參數(shù)為常數(shù)。
2．1 通用控制方程
本文選取煙氣為流動介質(zhì)，設(shè)流動為不可壓流動。方程的通用形式如下，文獻(xiàn)[6]給出了在三維直
角坐標(biāo)系下基本控制方程中各項的表達(dá)式。
+div(pu~b)=div(Fgrad6)+S (1)
2．2 紊流模型
標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型：
a￡ + a 1 =毒a L[(＼ Otxr i "J~0Oxk J] G (、 2)
+ = ( + )蓑]+字G ㈩
2．3 數(shù)值方法
控制方程的離散采用控制容積法，壓力一速度耦合采用SIMPLE算法，對流項差分格式采用二階迎
東北電力大學(xué)學(xué)報 第32卷
風(fēng)格式。利用Gambit軟件對反應(yīng)器模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在湍流變化復(fù)
雜的區(qū)域進(jìn)行局部加密。
根據(jù)煙道入口尺寸計算得到在BMCR工況下，系統(tǒng)煙氣入射速度為12 m／s。煙氣人口選擇速度入
口邊界，湍流參數(shù)通過湍流強(qiáng)度和水利直徑來定義。出H為自由出流邊界，反應(yīng)器壁面和導(dǎo)流板設(shè)置為
壁面邊界，近壁區(qū)采用加強(qiáng)的壁面函數(shù)法。整流格柵采用多孔介質(zhì)邊界條件。渦流混合器5個氨氣噴
管設(shè)置為速度邊界條件。
3 數(shù)值模擬計算方案及結(jié)果分析
本節(jié)計算包括以下幾個部分：
1．模擬煙氣在SCR系統(tǒng)內(nèi)的流動，系統(tǒng)中轉(zhuǎn)彎處不布置導(dǎo)流葉片、整流格柵等部件，考察煙道轉(zhuǎn)彎
處的流動特征，為導(dǎo)流葉片、整流格柵等部件的設(shè)計提供參考；
’ 2．確定導(dǎo)流葉片形狀、數(shù)量和位置，確定整流格柵的形式，對SCR系統(tǒng)進(jìn)行流動模擬，分析系統(tǒng)中
速度和壓力分布；
3．確定渦流混合器尺寸、定位和流量等參數(shù)，模擬反應(yīng)器流動特性。
具體計算方案如表1所示：
表1 數(shù)值計算模擬方案
(1)方案1結(jié)果
10
0
— 1O
10
O
— lO
圖3 方案1，SCR系統(tǒng)Z=0截面速度和壓力分布
圖3給出了方案1的SCR反應(yīng)器對稱面(Z=0截面)的速度和壓力分布。
從得到的速度場以及壓力場分布圖可以看出，煙氣在經(jīng)過彎道進(jìn)入催化劑之前速度場分布不均勻。
在慣性力和離心力的作用下，煙氣向SCR反應(yīng)器外側(cè)偏斜，經(jīng)過彎道以后，在SCR反應(yīng)器催化劑人口
前，煙氣速度變化較大，形成回流區(qū)，此現(xiàn)象將直接影響氨氣混合效果。因此，應(yīng)改善整個煙道的速度
場，必須在各個彎道處安裝導(dǎo)流裝置。
(2)方案2結(jié)果

70 東北電力大學(xué)學(xué)報 第32卷
4 結(jié) 論
通過對上述3種方案SCR脫硝系統(tǒng)流動和摻混的數(shù)值模擬，獲得了合理的SCR脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺
寸，數(shù)值計算有效的指導(dǎo)了SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計。
(1)通過加裝導(dǎo)流葉柵和整流格柵等方案，獲得了均勻的流場，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口
斷面煙氣速度不均勻性小于15％的目標(biāo)；
(2)在最佳流場布置前提下，優(yōu)化渦流混合器的圓盤直徑和布置位置、角度，氨與煙氣在反應(yīng)器中
得到了充分的摻混，實(shí)現(xiàn)了NH ／NO 充分混合的目的。
參考文獻(xiàn)
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[7] 郭婷婷，劉漢強(qiáng)，楊勇平，路光杰．基于數(shù)值模擬的1000 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)設(shè)計[J]．電站系統(tǒng)工程，2010，26(5)：6l一64．
[8] HanqiangIJu，TingtingGuo，YongpingYang，Guangjie Lu．Optimization and Numerical Simulation ofthe Flow Characteristicsin SCR System
rC]．ESSG 2010．
Numerical Simulation of the Flow Field in a SCR System
CHAO Yang，JIE Qun-Zhang，TING Ting-Guo
●
●
(Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co．，Ltd，Beijing，100039)
Abstract：By using FLUENT software，the numerical simulations were carried on for the SCR system of the
600MW coa1．fired station．a(chǎn)nd the velocity fields and concentration fields in 3 cases were obtained．The results
showed that：The efficiency of SCR DeNOx Technology is impacted on whether the flue gas and ammonia dis—
tributions of the velocity and concentration fields are uniforiB in the reactor,The comer vane cascades and gate
leafs installed．the non．uniformity of flue gas velocity iS less than 15％ before the first catalyst layer within the
reactor．Under the premise of the best flow field．the vortex mixer can ensure the full blending of tlle ammonia
and flue gas in the reactor．The reliability of numerical simulation iS verified through the cold model test．a(chǎn)nd
then the design of the SCR system iS guided effectively by the numerical simulations．
Key words：SCR denitrification；Numerical simulation；Vortex mixer；Ainqow distribution

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