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2015年，我國(guó)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(chǎng)、加強(qiáng)混合效果，并加裝第三層催化劑(原設(shè)計(jì)2層)。其中，通過CFD技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是“性價(jià)比”最高的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，值得在所有SCR脫硝改造項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

    通過合理的導(dǎo)流板、整流格柵、噴氨格柵、混合器的設(shè)計(jì)，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(gè)過程中發(fā)揮重要作用。本文對(duì)CFD技術(shù)做簡(jiǎn)要介紹，并結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)CFD在SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用做出分析。

1、CFD技術(shù)簡(jiǎn)介

        CFD是Computational Fluid Dynamics的簡(jiǎn)稱，中文全稱為：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)。CFD 模擬就是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示, 對(duì)包含有流體流動(dòng)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(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(chǎng), 如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng), 用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)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(diǎn)上場(chǎng)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(chǎng)變量的近似值。市場(chǎng)上主流的CFD軟件的分類有：

                                                                             圖1 市場(chǎng)上主流的CFD軟件的分類

       本文所談的CFD軟件，主要是指Fluent軟件。FLUENT自1983年問世以來，就一直是CFD軟件技術(shù)的領(lǐng)先者，被廣泛應(yīng)用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、航海、石油化工、汽車、能源、計(jì)算機(jī)/電子、材料、冶金、生物、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域，這使FLUENT公司成為占有最大市場(chǎng)份額的CFD軟件供應(yīng)商。以12.0版本為例，F(xiàn)luent軟件主界面如下：

                                                                                     圖2 Fluent軟件主界面

                                                                               圖3 CFD軟件的大致工作過程

本文不深入探討CFD的計(jì)算過程，主要站在工程應(yīng)用的角度，講講CFD技術(shù)在SCR脫硝流場(chǎng)優(yōu)化上的應(yīng)用，結(jié)合實(shí)際案例對(duì)脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)給出建議。

2、CFD技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 優(yōu)化分析的目的

在SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用CFD軟件，能實(shí)現(xiàn)下述的設(shè)計(jì)目的：

1)  研究煙氣流動(dòng)情況優(yōu)化煙氣流場(chǎng)，確定最佳設(shè)計(jì)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(yàn)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)壓力損失，保證壓降最小化;

4)  優(yōu)化煙氣溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布;

2.2 模擬范圍的選取原則

常規(guī)情況下，對(duì)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(gè)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(shí)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。

2.3 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(jì)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：

                                                                           圖4 SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算的大致過程

計(jì)算結(jié)束后，我們可以獲取整個(gè)計(jì)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)!

在所有位置里，我們最最關(guān)心的是催化劑表面這個(gè)位置，此處的煙氣流速均勻性、氨氣濃度均勻性對(duì)脫硝效率、催化劑磨損、控制氨逃逸起到?jīng)Q定性作用。

                                                                                      圖5 SCR脫硝的化學(xué)原理

速度均勻意味著通過催化劑層每個(gè)孔道的煙氣流經(jīng)時(shí)間是一致的，不會(huì)出現(xiàn)個(gè)別孔道通過時(shí)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(gè)孔道氨氮比是一致的，否則則會(huì)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。

2.4 SCR脫硝優(yōu)化的定量分析目標(biāo)

                                                                                    圖6 CFD研究最低規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)

其中，速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，對(duì)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(duì)煙氣流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。大多數(shù)情況對(duì)流場(chǎng)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(duì)于改造項(xiàng)目很多煙道的布置方式只能由現(xiàn)場(chǎng)情況決定。但是好的煙道外形設(shè)計(jì)是流場(chǎng)優(yōu)化的先天優(yōu)勢(shì)。

2.5 從流場(chǎng)優(yōu)化的角度，SCR煙道反應(yīng)器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1、避免噴氨格柵上游與傾斜的煙道出口過于臨近。這樣會(huì)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(duì)于條件受限不得不采用這種設(shè)計(jì)的項(xiàng)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(jì)過近;煙氣從豎直煙道到反應(yīng)器最好通過兩個(gè)90°彎頭來過渡，煙道與反應(yīng)器過于靠近相當(dāng)于一個(gè)180°轉(zhuǎn)彎，流場(chǎng)難以均布;對(duì)于條件受限不得不采用這種設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，建議采用改變煙道上部走勢(shì)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(huì)造成反應(yīng)器后側(cè)煙氣流速過高。如下圖：

      對(duì)于此處已設(shè)計(jì)留有空間的項(xiàng)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(duì)流場(chǎng)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(duì)下面催化劑來說是致命的。對(duì)于已采用催化劑預(yù)留在上層的項(xiàng)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(duì)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(duì)脫硝效率沒影響，但對(duì)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(duì)空預(yù)器換熱效果造成影響。一個(gè)反面的案例如下：

                                                                                 2.6 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：

                                                                            圖7 SCR脫硝導(dǎo)流板的計(jì)算方法

       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(jì)算結(jié)果，然后根據(jù)項(xiàng)目特征進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化調(diào)整。

3、結(jié)語

       最后值得一提的是，盡管CFD模擬結(jié)果對(duì)脫硝流場(chǎng)設(shè)計(jì)提供保證，但考慮到煙氣工況多變，還是建議所有SCR項(xiàng)目在調(diào)試階段都進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，該試驗(yàn)對(duì)于保證脫硝效率和控制氨逃逸有重要意義，后續(xù)將會(huì)專門介紹這項(xiàng)技術(shù)。

       從目前脫硝行業(yè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來看，將來一段時(shí)間內(nèi)SCR脫硝仍將是燃煤鍋爐脫硝的主流技術(shù)。對(duì)于越來越嚴(yán)的排放標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)合理的流場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)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。