江西某電廠660MW燃煤機(jī)組SCR系統(tǒng)氨逃生嚴(yán)重，催化劑層老化快，空預(yù)器運(yùn)行短時(shí)間內(nèi)堵塞。為了改善SCR系統(tǒng)氨逃逸問(wèn)題和機(jī)組運(yùn)行可靠性，通過(guò)數(shù)值模擬的方法，結(jié)合物理模型速度場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)NOx濃度測(cè)試結(jié)果，建立脫硝系統(tǒng)三維模型，模擬了不同圓盤(pán)導(dǎo)流板安裝角度及不同噴氨方案下SCR系統(tǒng)流場(chǎng)分布。

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行比較和分析，提出適當(dāng)調(diào)整圓盤(pán)導(dǎo)流板傾斜角度和合理差異化調(diào)整各噴嘴噴射參數(shù)的優(yōu)化方案，使第一層催化劑層入口處NH3濃度、NOX濃度和NH3/NOx分布能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求，為大型燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整和運(yùn)行提供參考。

NOx嚴(yán)重危害人體健康，還是光化學(xué)煙霧和酸雨的主要誘因，大氣氮氧化物污染物的主要來(lái)源是電站鍋爐煤炭排放。隨著新標(biāo)準(zhǔn)(GB13223-2011)的實(shí)施，國(guó)家對(duì)火力發(fā)電站NOx排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格。目前，控制NOx排放的主要措施有燃燒控制和煙霧脫硝兩種。非選擇性催化還原法SNCR和選擇性催化還原法SCR是目前主要的煙氣脫硝方法。

SCR脫硝技術(shù)脫硝效率高，運(yùn)行可靠，在國(guó)內(nèi)外大型燃煤機(jī)組煙霧脫硝中應(yīng)用最廣泛。但是，由于目前大型燃煤機(jī)組噴射氨控制不正確、SCR反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布不均勻、催化劑層入口NH3、NOx混合狀況差等原因，一般存在噴射氨過(guò)剩和大量氨逃跑的問(wèn)題。

氨泄漏一方面直接給電廠帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失，另一方面催化劑老化，催化劑積灰減少催化面積，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器結(jié)渣，給電廠帶來(lái)間接經(jīng)濟(jì)損失，帶來(lái)安全問(wèn)題。

以江西某電廠660MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)為例，針對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸嚴(yán)重和脫硝效率較低的問(wèn)題，搭建SCR系統(tǒng)物理模型并在其上進(jìn)行速度場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)該機(jī)組進(jìn)行SCR出口和脫硫塔出口NOx濃度分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)，依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，運(yùn)用FLUENT流體計(jì)算軟件模擬SCR反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)分布，分析不同圓盤(pán)導(dǎo)流板傾角和不同噴氨方案下SCR反應(yīng)器內(nèi)NH3和NOx的分布規(guī)律，給出SCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化建議和方案。

1、冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和NOx、濃度分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.1冷態(tài)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)幾何尺寸的相似標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)1:12幾何相似比構(gòu)筑了該單元SCR系統(tǒng)的物理模型，模型主要由進(jìn)出口煙道、噴氨格柵煙氣/氨靜態(tài)混合器、導(dǎo)流板、反應(yīng)器本體、整流器等構(gòu)成。主體由有機(jī)玻璃構(gòu)成，由金屬支架支撐，通過(guò)鍍鋅板管道與離心風(fēng)扇連接，模擬煙氣的空氣由風(fēng)扇鼓入，二氧化碳作為模擬氨的跟蹤氣體通過(guò)，由相互獨(dú)立的可調(diào)控制區(qū)域構(gòu)成的格柵噴入，SCR系統(tǒng)的物理模型如圖1所示。

圖1反應(yīng)器物理模型

物理模型速度場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:100%負(fù)荷下速度場(chǎng)分布入口偏差Cv為14.%，經(jīng)兩層催化劑層，速度分布均勻，出口速度場(chǎng)分布偏差Cv為9.17%，均為15%良好分布范圍

1.2Ox濃度分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GBlet13223-2001《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，筆者對(duì)該單元進(jìn)行了SCR出口和脫硫塔出口NOx濃度分布測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:噴射系統(tǒng)投入時(shí)，左右SCR反應(yīng)器出口截面NOx濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為24mg/Nm3和15mg/Nm3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為23.1%和22.7%

這證明了兩側(cè)SCR反應(yīng)器內(nèi)的煙氣流量偏差小，反應(yīng)器內(nèi)的NOx濃度分布不均勻主要是由于噴霧系統(tǒng)的噴霧流量分布不合理。這與物理模型速度場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。調(diào)整圓盤(pán)導(dǎo)流板的安裝角度和系統(tǒng)噴氨方案可以改善SCR反應(yīng)器內(nèi)NOx、NH3濃度分布和混合狀況.基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同導(dǎo)流板安裝角度以及不同噴氨方案下的SCR系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以指導(dǎo)SCR系統(tǒng)優(yōu)化。

2SCR系統(tǒng)三維模型的建立

2.1三維物理模型

按冷態(tài)實(shí)物模型尺寸1:1的比例，使用GAMBIT軟件建立SCR系統(tǒng)三維模型，如圖2所示。

圖2SCR系統(tǒng)幾何模型

反應(yīng)器進(jìn)口煙道煙氣入口截面尺寸為3.2m×10m，噴射段煙道截面尺寸為3.20m×13.95m，其中噴射格柵布置在Z=45.15m和Z=46.971m截面。下層噴氨管的尺寸為D76mm×1.5m。上層噴氨管尺寸為D76mm×2.5m。單層催化尺11.2m×13.95m×0.875m。

2.2數(shù)學(xué)模型

2.2.1亂流模型

SCR系統(tǒng)內(nèi)的煙氣流是三維亂流，而且煙氣流的雷諾數(shù)量較大，因此選用K-冷凍旋流修正亂流模型。k-冷凍旋流修正混凝土模型與標(biāo)準(zhǔn)k-冷凍模型相比，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)平板和圓柱射流的發(fā)散比率。帶旋轉(zhuǎn)流的k-冷凍方程如下:

2.2多孔介質(zhì)模型

為了節(jié)約運(yùn)算資源和運(yùn)算時(shí)間，將催化劑層簡(jiǎn)化為多孔介質(zhì)模型。描述多孔介質(zhì)模型的動(dòng)量方程增加了動(dòng)量源。動(dòng)量來(lái)源包括粘性損失項(xiàng)(Darcy)和內(nèi)部損失項(xiàng):

2.2.3通用有限速度模型

SCR反應(yīng)器內(nèi)的主要流動(dòng)介質(zhì)為氨和煙，煙由多種組成，介質(zhì)流動(dòng)涉及多種物質(zhì)混合，本文重點(diǎn)研究SCR脫硝系統(tǒng)的流動(dòng)分布

通過(guò)解決化學(xué)物質(zhì)的守恒方程得到部分之間的混合狀況，第一物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通過(guò)相應(yīng)物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程來(lái)估計(jì)，部分守恒方程采用以下共同形式:

進(jìn)口煙道入口的物質(zhì)凈運(yùn)輸量由流量和擴(kuò)散量構(gòu)成，流量由給定的各部分濃度決定，擴(kuò)散量必須根據(jù)計(jì)算得到各部分濃度的場(chǎng)所解決。

2.3格柵劃分和邊界條件

幾何模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此采用區(qū)域劃分網(wǎng)格的方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)主要計(jì)算區(qū)域采用四面體和六面體相結(jié)合的混合網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格的計(jì)算單元數(shù)為313萬(wàn)。

邊界條件設(shè)定:

(1)煙氣入口:定義為速度入口邊界，煙氣入口速度為20m/s溫度為657K。

(2)SCR脫硝反應(yīng)器出口:將出口邊界定為定壓邊界條件，出口壓力設(shè)定為-30Pa。

(3)氨噴入口:采用速度入口條件，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量時(shí)氨噴入口速度為15.5m/s溫度為293K。

3模擬結(jié)果和分析

3.1不同圓盤(pán)導(dǎo)流板傾角下的數(shù)值模擬結(jié)果

為了減少氨的逃脫，提高脫硝效率，許多運(yùn)行的火力發(fā)電站SCR系統(tǒng)采用安裝導(dǎo)流板來(lái)提高流場(chǎng)的均勻性。對(duì)不同圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾斜角進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，圖3分別為傾斜角分別為25度和45度的彎道幾何模型。

圖3彎道幾何模型

為了便于查看結(jié)果和分析，選擇了兩個(gè)典型的斷面:典型的斷面1為SCR脫硝反應(yīng)器的中垂直斷面Y=8.055m，典型的斷面2脫硝反應(yīng)器的第一層催化劑層的入口斷面Z=49.4375m。

圓盤(pán)導(dǎo)向板的傾角分別為$+o和+o的模擬結(jié)果比較如下:

圖4截面1的速度分布圖

圖5截面2的Z方向速度分布

從圖4和圖5可以看出，圓盤(pán)導(dǎo)流板的配置角度對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的速度均勻性具有優(yōu)化效果，圓盤(pán)導(dǎo)流板的45度配置比25度配置，導(dǎo)流板后的速度場(chǎng)干擾強(qiáng)，有利于NH3、NOx'的混合。此外，整個(gè)排煙速度場(chǎng)在z方向更均勻，因此當(dāng)排煙進(jìn)入SCR反應(yīng)器的第一層催化劑層時(shí)，較大份額的排煙可以垂直進(jìn)入催化劑層，在催化劑的參與下，可以很好地反應(yīng)，從而達(dá)到較好的脫硝效果，提高脫硝效率。

因此，通過(guò)調(diào)整圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾斜角，適當(dāng)增大圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾斜角，有助于改善SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的速度均勻性。

對(duì)比分析圖6-圖9的模擬結(jié)果表明，圓盤(pán)導(dǎo)流板的配置對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx摩爾比的均勻性有很大影響。圓盤(pán)導(dǎo)流板的45度配置比25度配置，SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx摩爾比的均勻性大幅度改善。

圖6截面1的NH3/NOx摩爾比分布圖

圖7截面1的NH3摩爾濃度分布圖

圖8截面2的NH3/NOx摩爾比分布圖

圖9截面2的NH3摩爾濃度分布圖

SCR反應(yīng)器內(nèi)的第一層催化劑入口截面靠近中間的區(qū)域NH3/NOx摩爾比較小，靠近右下方的區(qū)域NH3/NOx摩爾比較大，可以通過(guò)調(diào)整圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾角來(lái)改善。適當(dāng)增大圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾斜角，有利于改善SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx摩爾比的均勻性。

3.2不一樣的噴氨方案數(shù)值模擬結(jié)果和剖析

除開(kāi)調(diào)節(jié)圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾角提升SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的速率均勻性和SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx摩爾比的均勻性，噴氨入口的噴氨速率參數(shù)對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的速率均勻性和SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx摩爾比的均勻性也有挺大的影響。

下面介紹幾種噴氨方案，通過(guò)對(duì)比不同的噴氨方案，最終獲得最佳的噴氨方案，對(duì)SCR反應(yīng)器脫硝效率優(yōu)化提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

表1顯示不同煙氣入口參數(shù)和噴霧入口速度參數(shù)的3個(gè)方案BMCR情況下，煙氣入口溫度與前一致為657K，噴霧入口溫度與前一致為293K。

表13個(gè)方案的排煙入口和噴霧入口的速度參數(shù)

3個(gè)方案下的數(shù)值模擬結(jié)果和分析如下:

根據(jù)圖10和圖11的模擬結(jié)果，比較方案1、方案2和方案3，SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的速度均勻性變化不大，主要是因?yàn)閷?duì)混合氣體的總量，氨所占比例較小，噴霧總量不變情況下，改變各噴霧器的噴霧速度對(duì)第一層催化劑入口截面的速度分布影響不大。

圖10截面2的Z方向速度

圖11截面$8方向速度

如圖12-圖15所示，下一層噴射速度比上一層噴射速度稍大時(shí)，SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx摩爾比的均勻性明顯改善，因?yàn)橄乱粚拥陌绷吭龃螅�上一層的氨量減少，下一層的氨和煙混合時(shí)間長(zhǎng)，NH3和NOx混合更均勻，SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面的NH3/NOx的均勻性明顯改善。

圖12截面1的NH3/NOx摩爾比分布圖

圖13截面1的NH3摩爾濃度分布圖

圖14截面2的NH3/NOx摩爾比分布圖

圖15截面2的NH3摩爾濃度分布圖

方案3是在方案1和方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化，即在下一個(gè)噴射速度稍大于上一個(gè)噴射速度的基礎(chǔ)上，調(diào)整各層噴射速度，噴射速度為1、2、8、9噴射速度稍小，3、5號(hào)噴射速度相對(duì)較大，兩端稍大。這是由于SCR反應(yīng)器入口彎道處圓盤(pán)導(dǎo)流板的阻擋，圓盤(pán)導(dǎo)流板后形成回流區(qū)，加大排煙噪聲，NOx分布不均勻，需要調(diào)節(jié)噴霧參數(shù)，NH3/NOx摩爾比在最佳范圍內(nèi)。

方案3中截面1的NH3/NOx摩爾比和NH3濃度區(qū)在整個(gè)截面上分布均勻，明顯優(yōu)于方案1和方案2的方案3中截面2的NH3/NOx摩爾比分布和NH3摩爾濃度分布均勻，方案1和方案2與截面2右后方的高NH3/NOx摩爾比和NH3/NOx濃度區(qū)明顯縮小，幾乎消失。

在SCR反應(yīng)器內(nèi)第一層催化劑入口截面對(duì)應(yīng)噴射氨管等距離截取9條與x軸方向平行的線，比較這幾條線的NH3/NOx摩爾比，如圖16所示，方案3的均勻度NH3/NOx摩爾比優(yōu)于方案2。方案3對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)NH3/NOx摩爾發(fā)揮了優(yōu)化作用。

圖16采樣的NH3/NOx摩爾比

4結(jié)論

(1)通過(guò)物理模型速度場(chǎng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和單元現(xiàn)場(chǎng)NOx濃度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣速度場(chǎng)分布比較均勻，SCR系統(tǒng)的噴霧控制不正確，噴霧系統(tǒng)的流量分布不合理是脫硝效率低和氨脫比較嚴(yán)重的主要原因。

(2)通過(guò)對(duì)不同圓盤(pán)導(dǎo)流板安裝角度下SCR系統(tǒng)流場(chǎng)數(shù)值模擬和結(jié)果分析，可以適當(dāng)調(diào)整圓盤(pán)導(dǎo)流板的傾斜角度，加強(qiáng)圓盤(pán)導(dǎo)流板后的煙霧干擾，使NH3、NOx氣體在反應(yīng)器內(nèi)更加混合，混合氣體的速度分布在Z方向更加均勻，有利于NH3、NOx在催化劑層的反應(yīng)%

(3)通過(guò)比較和分析不同的噴霧效果下的數(shù)值模擬結(jié)果，最終得到有針對(duì)性的控制不同區(qū)域的噴霧量，有利于每一層的氨噴霧速度差異化%

(3)