應(yīng)用CFD技術(shù)優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)的流場
目前燃煤電廠煙氣脫硝以高效的選擇性催化還原脫硝(SCR)技術(shù)為主。截止到2016年，我國燃煤電站SCR脫硝裝置的安裝率超過85%。在超低排放的要求下，已有脫硝系統(tǒng)普遍采用的提效措施是改善流場、加強(qiáng)混合效果，并加裝第三層催化劑(原設(shè)計2層)。
我公司可通過合理的導(dǎo)流板、整流格柵、噴氨格柵、混合器的設(shè)計，提高催化劑入口煙氣流速均勻性、氨氣分布均勻性、降低整體系統(tǒng)阻力。CFD技術(shù)在整個過程中發(fā)揮重要作用。
CFD是Computational Fluid Dynamics的簡稱，中文全稱為：計算流體動力學(xué)。CFD 模擬就是通過計算機(jī)數(shù)值計算和圖像顯示, 對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理化學(xué)現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD 的基本思想可以歸結(jié)為: 把原來在時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場, 如速度場和壓力場, 用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替, 通過一定的原則和方式建方起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組, 然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。市場上主流的CFD軟件的分類有：
CFD技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用
1 優(yōu)化分析的目的
在SCR系統(tǒng)設(shè)計中使用CFD軟件，能實現(xiàn)下述的設(shè)計目的：
1) 研究煙氣流動情況優(yōu)化煙氣流場，確定最佳設(shè)計外形、最佳內(nèi)容布置方式;
2) 確定噴氨格柵及混合裝置的形式、位置，保證氨的混合均勻性;
3) 檢驗和預(yù)測系統(tǒng)壓力損失，保證壓降最小化;
4) 優(yōu)化煙氣溫度場、速度場分布;
2 模擬范圍的選取原則
常規(guī)情況下，對于火電廠燃煤鍋爐而言，SCR脫硝裝置的布置在省煤器與空預(yù)器之間，之所以在這個位置居多，原因是這段煙溫處于脫硝催化劑的活性溫度范圍。
在進(jìn)行CFD模擬的時候，所選型的模型范圍也是自省煤器出口至空預(yù)器進(jìn)口。省煤器出口作為模型入口邊界，空預(yù)器進(jìn)口作為模型出口邊界。
3 模擬分析的大致過程
選取模型后，通過三維建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置和計算模型選取，最后經(jīng)過數(shù)值求解得到我們需要的可視化的圖像結(jié)果。大致過程如下圖：
計算結(jié)束后，我們可以獲取整個計算模型內(nèi)部任何位置的煙氣流速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等等數(shù)據(jù)!
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在所有位置里，我們最最關(guān)心的是催化劑表面這個位置，此處的煙氣流速均勻性、氨氣濃度均勻性對脫硝效率、催化劑磨損、控制氨逃逸起到?jīng)Q定性作用。
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速度均勻意味著通過催化劑層每個孔道的煙氣流經(jīng)時間是一致的，不會出現(xiàn)個別孔道通過時間較快未反應(yīng)完全且磨損嚴(yán)重的情況。
濃度均勻意味著通過催化劑每個孔道氨氮比是一致的，否則則會出現(xiàn)，氨氮比高的孔未反應(yīng)掉的氨氣逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脫除完全。
4 SCR脫硝優(yōu)化的定量目標(biāo)
其中，速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，對于超低排放來說建議設(shè)定更低：<10%。
?如果結(jié)算結(jié)果的數(shù)據(jù)不滿足上述要求，可以通過調(diào)整煙道的布置方式，導(dǎo)流板整流格柵的修改來對煙氣流場進(jìn)行優(yōu)化。大多數(shù)情況對流場的優(yōu)化主要是導(dǎo)流板、整流格柵這些內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其對于改造項目很多煙道的布置方式只能由現(xiàn)場情況決定。但是好的煙道外形設(shè)計是流場優(yōu)化的先天優(yōu)勢。
從流場優(yōu)化的角度，SCR煙道反應(yīng)器設(shè)計注意事項
1、避免噴氨格柵上游與傾斜的煙道出口過于臨近。這樣會造成噴氨格柵上游流速偏差過大，難以控制氨的混合均勻性。對于條件受限不得不采用這種設(shè)計的項目，建議在煙道轉(zhuǎn)彎段的進(jìn)出口均布置導(dǎo)流板，降低煙氣流速的偏差。如下圖：
2、避免豎直煙道與反應(yīng)器設(shè)計過近;煙氣從豎直煙道到反應(yīng)器最好通過兩個90°彎頭來過渡，煙道與反應(yīng)器過于靠近相當(dāng)于一個180°轉(zhuǎn)彎，流場難以均布;對于條件受限不得不采用這種設(shè)計的項目，建議采用改變煙道上部走勢的特殊處理。如下圖：
3、反應(yīng)器后側(cè)頂板與整流格柵不建議留有空間，會造成反應(yīng)器后側(cè)煙氣流速過高。如下圖：
對于此處已設(shè)計留有空間的項目，建議停爐改造期間檢查頂層催化劑磨損情況。如發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器后側(cè)的催化劑磨損嚴(yán)重，可通過在反應(yīng)器上部布置導(dǎo)流板對流場進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
4、不建議催化劑備用層預(yù)留在最上層。如下圖：
這種預(yù)留上層的布置方式，要特別注意上層支撐梁的積灰問題，大塊的積灰落下對下面催化劑來說是致命的。對于已采用催化劑預(yù)留在上層的項目，建議停爐檢修期檢查上層支撐梁兩側(cè)是否有積灰，檢查支撐梁下方的催化劑有無堵灰，強(qiáng)烈建議對預(yù)留層支撐梁兩側(cè)進(jìn)行密封。
5、模型盡量建立完全，反應(yīng)器出口之后的優(yōu)化雖對脫硝效率沒影響，但對下游的空預(yù)器有影響，空預(yù)器進(jìn)口煙氣流速偏差過大將對空預(yù)器換熱效果造成影響。一個反面的案例如下：
導(dǎo)流板的布置的建議
在不具備CFD優(yōu)化分析的條件下，也需要設(shè)置導(dǎo)流板，可以參考以下的布置方式：
在具備CFD優(yōu)化分析的條件下，可以以上述方法作為第一版計算結(jié)果，然后根據(jù)項目特征進(jìn)行針對性優(yōu)化調(diào)整。
最后值得一提的是，盡管CFD模擬結(jié)果對脫硝流場設(shè)計提供保證，但考慮到煙氣工況多變，還是建議所有SCR項目在調(diào)試階段都進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗，該試驗對于保證脫硝效率和控制氨逃逸有重要意義。
從目前脫硝行業(yè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來看，將來一段時間內(nèi)SCR脫硝仍將是燃煤鍋爐脫硝的主流技術(shù)。對于越來越嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理的流場設(shè)計對于工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排發(fā)揮重要作用。除在SCR脫硝的應(yīng)用外，CFD技術(shù)在煙氣治理其他領(lǐng)域，如SNCR脫硝、濕法脫硫、電除塵、袋除塵、MGGH、除霧器及煙道布置上已有眾多成熟的應(yīng)用，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將在后續(xù)系列文章中陸續(xù)介紹。
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