脱硝系统超低排放中的关键技术—CFD优化

    通过合理的导流板、整流格栅、喷氨格栅、混合器的设计，提高催化剂入口烟气流速均匀性、氨气分布均匀性、降低整体系统阻力，CFD技术在整个过程中发挥重要作用。本文对CFD技术做简要介绍，并结合实际工程案例，对CFD在SCR脱硝系统优化中的应用做出分析。

1、CFD技术简介

        CFD是Computational Fluid Dynamics的简称，中文全称为：计算流体动力学。CFD 模拟就是通过计算机数值计算和图像显示, 对包含有流体流动和热传导等相关物理化学现象的系统所做的分析。CFD 的基本思想可以归结为: 把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场, 如速度场和压力场, 用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替, 通过一定的原则和方式建方起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组, 然后求解代数方程组获得场变量的近似值。市场上主流的CFD软件的分类有：

                                                 图1 市场上主流的CFD软件的分类

       本文所谈的CFD软件，主要是指Fluent软件。FLUENT自1983年问世以来，就一直是CFD软件技术的领先者，被广泛应用于航空航天、旋转机械、航海、石油化工、汽车、能源、计算机/电子、材料、冶金、生物、医药、环保等领域，这使FLUENT公司成为占有*大市场份额的CFD软件供应商。以12.0版本为例，Fluent软件主界面如下：

                                                           图2 Fluent软件主界面

                                                    图3 CFD软件的大致工作过程

本文不深入探讨CFD的计算过程，主要站在工程应用的角度，讲讲CFD技术在SCR脱硝流场优化上的应用，结合实际案例对脱硝系统的优化设计给出建议。

2、CFD技术在SCR脱硝系统的应用

2.1 优化分析的目的

在SCR系统设计中使用CFD软件，能实现下述的设计目的：

1)  研究烟气流动情况优化烟气流场，确定*佳设计外形、*佳内容布置方式;

2)  确定喷氨格栅及混合装置的形式、位置，保证氨的混合均匀性;

3)  检验和预测系统压力损失，保证压降*小化;

4)  优化烟气温度场、速度场分布;

2.2 模拟范围的选取原则

常规情况下，对于火电厂燃煤锅炉而言，SCR脱硝装置的布置在省煤器与空预器之间，之所以在这个位置居多，原因是这段烟温处于脱硝催化剂的活性温度范围。

在进行CFD模拟的时候，所选型的模型范围也是自省煤器出口至空预器进口。省煤器出口作为模型入口边界，空预器进口作为模型出口边界。

2.3 模拟分析的大致过程

选取模型后，通过三维建模、网格划分、边界条件设置和计算模型选取，*后经过数值求解得到我们需要的可视化的图像结果。大致过程如下图：

                                                 图4 SCR脱硝系统流场计算的大致过程

计算结束后，我们可以获取整个计算模型内部任何位置的烟气流速、烟气方向、氨气浓度、温度、压力等等数据!

在所有位置里，我们**关心的是催化剂表面这个位置，此处的烟气流速均匀性、氨气浓度均匀性对脱硝效率、催化剂磨损、控制氨逃逸起到决定性作用。

                                                             图5 SCR脱硝的化学原理

速度均匀意味着通过催化剂层每个孔道的烟气流经时间是一致的，不会出现个别孔道通过时间较快未反应完全且磨损严重的情况。

浓度均匀意味着通过催化剂每个孔道氨氮比是一致的，否则则会出现，氨氮比高的孔未反应掉的氨气逃逸，氨氮比低的孔NOx未被脱除完全。

2.4 SCR脱硝优化的定量分析目标

                                                         图6 CFD研究*低规范标准

其中，速度相对标准偏差，对于超低排放来说建议设定更低：<10%。

如果结算结果的数据不满足上述要求，可以通过调整烟道的布置方式，导流板整流格栅的修改来对烟气流场进行优化。大多数情况对流场的优化主要是导流板、整流格栅这些内部结构，尤其对于改造项目很多烟道的布置方式只能由现场情况决定。但是好的烟道外形设计是流场优化的先天优势。

2.5 从流场优化的角度，SCR烟道反应器设计注意事项

1、避免喷氨格栅上游与倾斜的烟道出口过于临近。这样会造成喷氨格栅上游流速偏差过大，难以控制氨的混合均匀性。对于条件受限不得不采用这种设计的项目，建议在烟道转弯段的进出口均布置导流板，降低烟气流速的偏差。如下图：

2、避免竖直烟道与反应器设计过近;烟气从竖直烟道到反应器*好通过两个90°弯头来过渡，烟道与反应器过于靠近相当于一个180°转弯，流场难以均布;对于条件受限不得不采用这种设计的项目，建议采用改变烟道上部走势的特殊处理。如下图：

3、反应器后侧顶板与整流格栅不建议留有空间，会造成反应器后侧烟气流速过高。如下图：

      对于此处已设计留有空间的项目，建议停炉改造期间检查顶层催化剂磨损情况。如发现反应器后侧的催化剂磨损严重，可通过在反应器上部布置导流板对流场进行优化调整。

4、不建议催化剂备用层预留在*上层。如下图：

       这种预留上层的布置方式，要特别注意上层支撑梁的积灰问题，大块的积灰落下对下面催化剂来说是致命的。对于已采用催化剂预留在上层的项目，建议停炉检修期检查上层支撑梁两侧是否有积灰，检查支撑梁下方的催化剂有无堵灰，强烈建议对预留层支撑梁两侧进行密封。

5、模型尽量建立完全，反应器出口之后的优化虽对脱硝效率没影响，但对下游的空预器有影响，空预器进口烟气流速偏差过大将对空预器换热效果造成影响。一个反面的案例如下：

                                                     2.6 导流板的布置的建议

        在不具备CFD优化分析的条件下，也需要设置导流板，可以参考以下的布置方式：

                                                     图7 SCR脱硝导流板的计算方法

       在具备CFD优化分析的条件下，可以以上述方法作为*版计算结果，然后根据项目特征进行针对性优化调整。

3、结语

       *后值得一提的是，尽管CFD模拟结果对脱硝流场设计提供保证，但考虑到烟气工况多变，还是建议所有SCR项目在调试阶段都进行喷氨优化调整试验，该试验对于保证脱硝效率和控制氨逃逸有重要意义，后续将会专门介绍这项技术。

       从目前脱硝行业技术发展状况来看，将来一段时间内SCR脱硝仍将是燃煤锅炉脱硝的主流技术。对于越来越严的排放标准，科学合理的流场设计对于工业领域节能减排发挥重要作用。除在SCR脱硝的应用外，CFD技术在烟气治理其他领域，如SNCR脱硝、湿法脱硫、电除尘、袋除尘、MGGH、除雾器及烟道布置上已有众多成熟的应用，这些领域的应用将在后续系列文章中陆续介绍。