目(mu)前燃(ran)煤(mei)電廠煙(yan)氣(qi)脫(tuo)(tuo)(tuo)硝以(yi)高(gao)效(xiao)的選擇性催(cui)化還(huan)原脫(tuo)(tuo)(tuo)硝(SCR)技(ji)(ji)術為(wei)主。截止到2015年(nian)，我國(guo)燃(ran)煤(mei)電站SCR脫(tuo)(tuo)(tuo)硝裝(zhuang)置的安裝(zhuang)率超過85%。在超低排放(fang)的要求下，已(yi)有脫(tuo)(tuo)(tuo)硝系(xi)統普(pu)遍采用的提效(xiao)措施是改(gai)善流場、加(jia)強混合效(xiao)果，并加(jia)裝(zhuang)第三層(ceng)催(cui)化劑(原設(she)計(ji)2層(ceng))。其(qi)中，通過CFD技(ji)(ji)術對流場進行優化設(she)計(ji)是“性價比”最高(gao)的一項(xiang)關鍵技(ji)(ji)術，值(zhi)得在所有SCR脫(tuo)(tuo)(tuo)硝改(gai)造項(xiang)目(mu)中推廣應用。

    通過合理的導(dao)流板、整(zheng)(zheng)流格柵、噴氨格柵、混合器的設計，提高催(cui)化劑(ji)入口煙氣流速均(jun)勻性、氨氣分布(bu)均(jun)勻性、降低整(zheng)(zheng)體(ti)系統阻力，CFD技術在整(zheng)(zheng)個過程中發揮重要作用。本文對CFD技術做(zuo)簡要介紹，并(bing)結合實際工程案例，對CFD在SCR脫(tuo)硝系統優化中的應用做(zuo)出(chu)分析。

1、CFD技(ji)術簡(jian)介

        CFD是(shi)Computational Fluid Dynamics的(de)(de)(de)(de)簡(jian)稱(cheng)(cheng)，中(zhong)文(wen)全稱(cheng)(cheng)為(wei)(wei)：計算(suan)(suan)流(liu)體動力(li)學。CFD 模擬就是(shi)通過(guo)計算(suan)(suan)機數值計算(suan)(suan)和(he)圖像顯示, 對(dui)包含有流(liu)體流(liu)動和(he)熱傳導(dao)等(deng)相關(guan)物理化學現(xian)象的(de)(de)(de)(de)系(xi)統所做的(de)(de)(de)(de)分析。CFD 的(de)(de)(de)(de)基本(ben)思(si)想可以歸(gui)結(jie)為(wei)(wei): 把原來在(zai)時間域及空間域上連續的(de)(de)(de)(de)物理量(liang)的(de)(de)(de)(de)場, 如(ru)速(su)度場和(he)壓力(li)場, 用一系(xi)列有限個離(li)散(san)點(dian)上的(de)(de)(de)(de)變(bian)量(liang)值的(de)(de)(de)(de)集合來代(dai)替(ti), 通過(guo)一定的(de)(de)(de)(de)原則和(he)方(fang)式建方(fang)起(qi)關(guan)于這些離(li)散(san)點(dian)上場變(bian)量(liang)之間關(guan)系(xi)的(de)(de)(de)(de)代(dai)數方(fang)程組, 然后求(qiu)解(jie)代(dai)數方(fang)程組獲(huo)得場變(bian)量(liang)的(de)(de)(de)(de)近似值。市場上主流(liu)的(de)(de)(de)(de)CFD軟(ruan)件的(de)(de)(de)(de)分類有：

                         ;                                                    圖1 市(shi)場(chang)上(shang)主流的CFD軟件(jian)的分類

       本文(wen)所談的(de)CFD軟件(jian)(jian)(jian)，主要是指Fluent軟件(jian)(jian)(jian)。FLUENT自1983年問世以來，就一直是CFD軟件(jian)(jian)(jian)技(ji)術的(de)領先者，被廣泛應用(yong)于航空航天(tian)、旋轉機械、航海、石油化工、汽車(che)、能源(yuan)、計算機/電子(zi)、材料、冶(ye)金、生物、醫藥、環(huan)保等(deng)領域，這使FLUENT公司成為占有最大市場份額的(de)CFD軟件(jian)(jian)(jian)供應商。以12.0版本為例，Fluent軟件(jian)(jian)(jian)主界面(mian)如下(xia)：

                                                                                     圖2 Fluent軟(ruan)件主界面

                                                                               圖3 CFD軟件(jian)的大致(zhi)工(gong)作(zuo)過(guo)程

本文不深入探(tan)討CFD的(de)(de)(de)計(ji)算(suan)過程，主要站在工(gong)程應(ying)用的(de)(de)(de)角度，講(jiang)講(jiang)CFD技(ji)術在SCR脫硝(xiao)流場優化上(shang)的(de)(de)(de)應(ying)用，結合實際案例對脫硝(xiao)系統的(de)(de)(de)優化設計(ji)給出建議。

2、CFD技(ji)術在SCR脫硝系統的應用

2.1 優(you)化分析(xi)的目的

在(zai)SCR系統設計中(zhong)使用CFD軟件，能(neng)實現下述(shu)的設計目的：

1)  研究(jiu)煙氣流(liu)動(dong)情(qing)況優化煙氣流(liu)場(chang)，確(que)定(ding)最(zui)佳(jia)設計(ji)外(wai)形(xing)、最(zui)佳(jia)內容布置方(fang)式;

2)  確定(ding)噴氨格柵及(ji)混合(he)裝置(zhi)的形式(shi)、位置(zhi)，保證氨的混合(he)均(jun)勻(yun)性;

3)  檢驗和預測系統壓(ya)力損(sun)失，保證壓(ya)降最小化;

4)  優化煙氣溫度場、速度場分布;

2.2 模擬范圍(wei)的選(xuan)取原則(ze)

常規(gui)情況(kuang)下，對于火電廠燃煤鍋爐而言，SCR脫硝(xiao)裝(zhuang)置(zhi)的(de)布置(zhi)在省煤器(qi)與空(kong)預器(qi)之(zhi)(zhi)間，之(zhi)(zhi)所以在這個位置(zhi)居多，原因是這段煙溫(wen)處于脫硝(xiao)催化劑的(de)活(huo)性溫(wen)度(du)范圍。

在進(jin)行CFD模擬(ni)的(de)時候(hou)，所選型的(de)模型范圍也是自省煤(mei)器出口至(zhi)空預(yu)器進(jin)口。省煤(mei)器出口作為模型入口邊界(jie)，空預(yu)器進(jin)口作為模型出口邊界(jie)。

2.3 模擬分析(xi)的(de)大致(zhi)過程

選取模(mo)(mo)型(xing)后(hou)，通過三(san)維(wei)建(jian)模(mo)(mo)、網格劃分(fen)、邊界條(tiao)件設(she)置(zhi)和計算(suan)模(mo)(mo)型(xing)選取，最后(hou)經過數值求(qiu)解得到我們(men)需要的可視化的圖像結果。大致過程如(ru)下圖：

                                                                           圖(tu)4 SCR脫硝系統流(liu)場計算的大致(zhi)過程

計算(suan)結束后，我們可(ke)以獲取整個(ge)計算(suan)模(mo)型內部(bu)任(ren)何位置的煙氣流(liu)速、煙氣方向、氨氣濃度、溫度、壓力等等數據!

在所有位置里，我們最最關心的是催化劑表面這個位置，此處(chu)的煙氣流(liu)速均(jun)勻性、氨氣濃度均(jun)勻性對脫硝(xiao)效率、催化劑磨損、控制(zhi)氨逃逸起(qi)到決(jue)定(ding)性作用(yong)。

                                                                                      圖5 SCR脫硝的化學原理

速度均勻意味(wei)著通過催化劑層每個孔道的(de)煙氣流經時間(jian)是一致的(de)，不會出現(xian)個別孔道通過時間(jian)較(jiao)快未反應完全且磨損嚴重的(de)情況。

濃度(du)均勻意味著通過催化劑(ji)每個孔道氨(an)氮比是一(yi)致的，否則則會出現，氨(an)氮比高(gao)的孔未(wei)反應掉(diao)的氨(an)氣逃(tao)逸，氨(an)氮比低的孔NOx未(wei)被脫除完(wan)全。

2.4 SCR脫(tuo)硝優化的(de)定量分析目標

                                                                                    圖6 CFD研究(jiu)最低規范標準

其中，速度相對標準偏差，對于超低排放來說建議設定更低：<10%。

如果結算(suan)結果的(de)數(shu)據不滿足上述要求，可以通過調(diao)整煙(yan)道(dao)的(de)布置(zhi)方(fang)式，導(dao)流(liu)板整流(liu)格(ge)柵(zha)的(de)修改(gai)來對(dui)煙(yan)氣流(liu)場進行優化(hua)。大多數(shu)情(qing)況(kuang)對(dui)流(liu)場的(de)優化(hua)主(zhu)要是(shi)導(dao)流(liu)板、整流(liu)格(ge)柵(zha)這些內部結構，尤其對(dui)于改(gai)造項目很多煙(yan)道(dao)的(de)布置(zhi)方(fang)式只能由(you)現場情(qing)況(kuang)決(jue)定(ding)。但是(shi)好(hao)的(de)煙(yan)道(dao)外形設計(ji)是(shi)流(liu)場優化(hua)的(de)先天優勢(shi)。

2.5 從流場(chang)優(you)化的角度，SCR煙道反應器設計(ji)注意事項

1、避免噴氨(an)(an)格柵上游與傾斜的煙道出(chu)口(kou)過于(yu)臨(lin)近(jin)。這(zhe)樣(yang)會造成噴氨(an)(an)格柵上游流速偏(pian)差(cha)過大，難(nan)以控制(zhi)氨(an)(an)的混(hun)合均(jun)勻性。對于(yu)條(tiao)件受(shou)限不得不采(cai)用這(zhe)種設計的項目，建議在煙道轉彎(wan)段(duan)的進(jin)出(chu)口(kou)均(jun)布置導流板，降低煙氣流速的偏(pian)差(cha)。如下(xia)圖：

2、避(bi)免豎直煙道(dao)與(yu)反(fan)應器設計過近(jin);煙氣從(cong)豎直煙道(dao)到反(fan)應器最好通過兩個90°彎頭來過渡，煙道(dao)與(yu)反(fan)應器過于(yu)靠近(jin)相當于(yu)一個180°轉(zhuan)彎，流場難以(yi)均布(bu);對(dui)于(yu)條件受(shou)限不(bu)得(de)不(bu)采用(yong)這種(zhong)設計的(de)項目(mu)，建議采用(yong)改變(bian)煙道(dao)上部走(zou)勢的(de)特殊處理。如(ru)下(xia)圖：

3、反應器(qi)后(hou)側頂(ding)板與整流格柵不建(jian)議(yi)留有(you)空間，會(hui)造成反應器(qi)后(hou)側煙氣流速(su)過高。如下圖：

      對于此(ci)處已設計留有(you)空間(jian)的項目，建議停爐改造期間(jian)檢查頂層催化劑磨損情況。如發(fa)現反(fan)應(ying)(ying)器后側的催化劑磨損嚴重，可通過在反(fan)應(ying)(ying)器上部(bu)布(bu)置導流(liu)板對流(liu)場(chang)進行優化調整。

4、不(bu)建議催化劑備用層預留在(zai)最(zui)上層。如下圖：

       這種預(yu)(yu)(yu)留(liu)上層的(de)(de)(de)布置方式，要特別(bie)注意上層支(zhi)撐(cheng)梁的(de)(de)(de)積灰問題，大塊的(de)(de)(de)積灰落下對(dui)(dui)下面催化劑來說是致命的(de)(de)(de)。對(dui)(dui)于已采用催化劑預(yu)(yu)(yu)留(liu)在(zai)上層的(de)(de)(de)項(xiang)目，建議停爐檢修期檢查(cha)(cha)上層支(zhi)撐(cheng)梁兩側是否有積灰，檢查(cha)(cha)支(zhi)撐(cheng)梁下方的(de)(de)(de)催化劑有無堵(du)灰，強烈建議對(dui)(dui)預(yu)(yu)(yu)留(liu)層支(zhi)撐(cheng)梁兩側進(jin)行密封。

5、模型盡量建立完全，反(fan)應器(qi)出口(kou)之(zhi)后的(de)優化雖對脫硝效(xiao)率沒影(ying)響，但對下游的(de)空預器(qi)有影(ying)響，空預器(qi)進口(kou)煙氣流速(su)偏差過大(da)將對空預器(qi)換熱效(xiao)果造成影(ying)響。一個反(fan)面的(de)案例如下：

                             ;                                                    2.6 導流(liu)板的布置的建議

  &nbsp;     在不(bu)具(ju)備(bei)CFD優化分析(xi)的(de)條件下，也需要設置導流板，可以參考以下的(de)布置方式：

         ;                                                 &nbsp;                 圖7 SCR脫硝導流板的計算方法

       在具備CFD優(you)化(hua)分析的條件下，可以(yi)以(yi)上述方法(fa)作為第(di)一版計算結果，然后根據(ju)項目特(te)征進行針(zhen)對性優(you)化(hua)調整。

3、結語

       最后值得一(yi)提的是，盡管CFD模擬(ni)結果對(dui)脫(tuo)硝流場(chang)設計提供保證，但考慮到煙氣(qi)工況多變，還是建(jian)議所(suo)有SCR項(xiang)目在調(diao)試(shi)階段都進(jin)行噴(pen)氨優化調(diao)整試(shi)驗，該試(shi)驗對(dui)于保證脫(tuo)硝效率(lv)和控(kong)制氨逃逸有重要意義，后續(xu)將會(hui)專門介紹(shao)這(zhe)項(xiang)技術。

       從目前脫(tuo)硝行業技(ji)術發展狀況來看，將來一段(duan)時間內SCR脫(tuo)硝仍將是燃煤鍋(guo)爐脫(tuo)硝的(de)(de)(de)主(zhu)流技(ji)術。對(dui)于越來越嚴的(de)(de)(de)排放標準，科學合(he)理的(de)(de)(de)流場(chang)設(she)計對(dui)于工業領(ling)域節(jie)能(neng)減排發揮重(zhong)要(yao)作(zuo)用。除(chu)在(zai)SCR脫(tuo)硝的(de)(de)(de)應(ying)用外(wai)，CFD技(ji)術在(zai)煙氣(qi)治理其他領(ling)域，如SNCR脫(tuo)硝、濕法脫(tuo)硫、電除(chu)塵、袋除(chu)塵、MGGH、除(chu)霧器及煙道布置上已(yi)有眾多(duo)成熟的(de)(de)(de)應(ying)用，這些領(ling)域的(de)(de)(de)應(ying)用將在(zai)后續系列(lie)文章(zhang)中陸續介紹(shao)。