孫靜楠，王冠宇，秦一鳴，韓同江

(華電青島環(huán)保技術(shù)有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

大氣中的NOx是導(dǎo)致產(chǎn)生酸雨、霧霾和光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的一個(gè)主要原因。人為排放NOx主要來源包括固定污染源和移動(dòng)污染源，固定污染源一般為火力發(fā)電廠、化工廠等，移動(dòng)污染源主要為采用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的交通工具。2015年我國(guó)燃煤電廠NOx排放量已達(dá)到1 310萬t，對(duì)燃煤電廠進(jìn)行煙氣脫硝刻不容緩[1]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脫硝效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的成熟，流場(chǎng)模擬技術(shù)借助Ansys Fluent等商用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。SCR脫硝系統(tǒng)受現(xiàn)場(chǎng)條件等因素限制，一般存在多處變截面及轉(zhuǎn)向區(qū)，如果不進(jìn)行干涉，不僅會(huì)造成系統(tǒng)流速分布不均，導(dǎo)致相同截面不同區(qū)域催化劑所處理的煙氣量偏離設(shè)計(jì)值，進(jìn)而產(chǎn)生脫硝效率降低、局部區(qū)域氨逃逸超標(biāo)的現(xiàn)象；還會(huì)因煙氣入射角過大而加劇催化劑的磨損和沖蝕，也可能造成局部區(qū)域嚴(yán)重積灰，系統(tǒng)阻力升高。因此，需要通過流場(chǎng)模擬來確定煙道與SCR反應(yīng)器的外形結(jié)構(gòu)，并對(duì)煙道內(nèi)導(dǎo)流板、整流格柵、氨噴射與混合系統(tǒng)等部件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，才能為系統(tǒng)內(nèi)脫硝反應(yīng)的進(jìn)行提供良好的入口煙氣條件。流場(chǎng)模擬得到的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)及壓力場(chǎng)等計(jì)算結(jié)果可為整個(gè)脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

本文選取代表性的工程實(shí)例，展示流場(chǎng)模擬技術(shù)在火力發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

1 原理

對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，可以看成求解流體的基本控制方程——質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，從而得到流體的基本物理量(如速度、壓力、溫度以及質(zhì)量濃度等)在空間各個(gè)位置上的分布，以及這些量隨時(shí)間的變化情況。

SCR脫硝系統(tǒng)中，數(shù)學(xué)模型的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。在初始條件下(煙氣條件、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸等)，采用湍流模型(SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)為氣相湍流)、物質(zhì)輸運(yùn)模型(由于SCR反應(yīng)中的流動(dòng)介質(zhì)有煙氣和噴入的氨氣，涉及流動(dòng)中物質(zhì)的混合情況，需采用混合物的物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬這一情況)以及多孔介質(zhì)模型(對(duì)于SCR反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層壓降，將催化劑層看作多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬)，來求解質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒的方程組，求得的連續(xù)解就是速度、壓力、溫度、質(zhì)量濃度在系統(tǒng)空間內(nèi)各個(gè)位置上的值。

2 某600 MW火電機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

在流場(chǎng)模擬過程中，數(shù)學(xué)模型的選取有著至關(guān)重要的作用，大型火電廠SCR煙氣脫硝過程十分復(fù)雜，涉及煙氣、飛灰顆粒及還原劑的氣相湍流流動(dòng)、氣固兩相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)及流動(dòng)混合等過程[2]。根據(jù)SCR系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在滿足工程要求的條件下，對(duì)SCR系統(tǒng)內(nèi)的煙氣狀況進(jìn)行假設(shè)和簡(jiǎn)化：(1)將煙氣視為不可壓縮的流體；(2)假設(shè)SCR系統(tǒng)煙氣來流速度分布均勻；(3)催化劑床層壓降采用多孔介質(zhì)；(4)不考慮煙氣中灰分的影響。脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)模擬一般簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)模擬，即速度、質(zhì)量濃度、溫度以及壓力等物理量不隨時(shí)間的變化而變化。

基于以上假設(shè)及簡(jiǎn)化，SCR系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)的控制方程可以表示為

?)=div(Γgrad?)+S，

根據(jù)SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣流動(dòng)時(shí)湍流的情況，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來模擬其內(nèi)部的煙氣湍流運(yùn)動(dòng)。

由于脫硝系統(tǒng)中流動(dòng)的介質(zhì)有鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣和注入的氨氣，因此，需要采用Species物質(zhì)輸運(yùn)模型，通過求解每種組成物質(zhì)對(duì)流、擴(kuò)散以及反應(yīng)源的守恒方程來模擬氨氣在煙氣中的混合與擴(kuò)散。

在流場(chǎng)模擬過程中，如果按照實(shí)際情況繪制蜂窩式、板式等形式的催化劑床層，網(wǎng)格劃分時(shí)將生成多達(dá)幾千萬的網(wǎng)格體，因此，催化劑床層使用多孔介質(zhì)模型來進(jìn)行模擬，以獲得其阻力值。

壓力損失模擬公式如下

式中：Si為i向動(dòng)量源項(xiàng)，Pa/m；μ為流動(dòng)動(dòng)力黏度，Pa·s；α為介質(zhì)滲透性；vi為i向速度分量，m/s；ρ為密度，kg/m3；C2為內(nèi)部阻力因子，1/m。

2.2 網(wǎng)格的劃分及邊界條件的確定

在SCR系統(tǒng)中，流場(chǎng)模擬的研究對(duì)象一般起始于省煤器出口，結(jié)束于空氣預(yù)熱器入口，包含進(jìn)出口煙道、氨噴射/混合裝置、煙道內(nèi)導(dǎo)流板、脫硝反應(yīng)器本體及其他內(nèi)部件等，幾何模型建立過程中可根據(jù)計(jì)算需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。建模完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用數(shù)值計(jì)算方法來求解偏微分方程時(shí)，首先要對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分將方程離散化。網(wǎng)格體是進(jìn)行流場(chǎng)模擬和計(jì)算分析的載體，通過有限的網(wǎng)格體來表達(dá)實(shí)際空間的連續(xù)實(shí)體，劃分后網(wǎng)格體的質(zhì)量和數(shù)量對(duì)CFD流場(chǎng)模擬計(jì)算的精度和規(guī)模都將產(chǎn)生直接影響。

在所建立的幾何模型上采用特定的網(wǎng)格類型、網(wǎng)格單元和網(wǎng)格密度對(duì)模型中的面或體進(jìn)行劃分。在噴氨格柵等尺度較小的空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格離散化后能準(zhǔn)確地表達(dá)幾何體，本案例中SCR模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格體總數(shù)約為780萬。最后指定邊界區(qū)域，為模型的每個(gè)區(qū)域指定名稱和類型，為后續(xù)指定模型的物理屬性、邊界條件和初始條件做好準(zhǔn)備。

邊界條件是指在求解區(qū)域上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點(diǎn)及時(shí)間變化的規(guī)律，只有給定了合理的邊界條件才能計(jì)算出流場(chǎng)的解。本案例的邊界條件依據(jù)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)設(shè)定。系統(tǒng)煙氣入口邊界條件為速度入口，氨氣入口邊界條件為質(zhì)量入口，系統(tǒng)出口邊界條件為壓力出口，模型壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

2.3 根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行判定[3]

網(wǎng)格文件導(dǎo)入Ansys Fluent計(jì)算程序后，按照工程實(shí)際情況設(shè)置系統(tǒng)中速度、壓力、溫度、煙氣組分等并進(jìn)行求解，迭代計(jì)算完成后運(yùn)用后處理技術(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)研究及可視化分析。

(1)截取第1層催化劑上方0.5 m處平面做速度云圖，如圖1所示。經(jīng)計(jì)算，該截面速度分布的均勻性偏差小于15%，滿足技術(shù)要求。

圖1 第1層催化劑上方0.5 m平面速度云圖

(2)截取第1層催化劑上方0.5m處平面做氨質(zhì)量濃度云圖，如圖2所示。經(jīng)計(jì)算，該截面氨質(zhì)量濃度偏差小于5%，滿足技術(shù)要求。

圖2 第1層催化劑上方0.5 m平面氨質(zhì)量濃度云圖

(3)從圖3所示的第1層催化劑入口煙氣溫度分布圖可見，截面內(nèi)溫度分布均勻，提取數(shù)據(jù)，確認(rèn)溫度分布絕對(duì)偏差小于10 ℃，滿足技術(shù)要求。

(4)由圖4所示的系統(tǒng)流線分布圖可見，流線分布均勻，無渦流現(xiàn)象，第1層催化劑上方煙氣來流與豎直方向夾角小于10°，滿足技術(shù)要求。

圖3 第1層催化劑入口煙氣溫度分布云圖

圖4 系統(tǒng)流線圖

3 結(jié)束語

CFD 流場(chǎng)模擬技術(shù)應(yīng)用于SCR脫硝工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及改造，展現(xiàn)了較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以清晰地反映設(shè)計(jì)方案與流場(chǎng)的相互關(guān)系。采用此項(xiàng)技術(shù)研究系統(tǒng)內(nèi)煙氣流場(chǎng)變化具有成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的可操作性。應(yīng)用Ansys Fluent進(jìn)行火電廠SCR脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)模擬工作，具有良好的預(yù)見性和實(shí)際效果，是電力行業(yè)節(jié)能減排的有力保障。在引進(jìn)、消化吸收國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)開展CFD流場(chǎng)模擬技術(shù)在SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，掌握核心技術(shù)，對(duì)我國(guó)加速脫硝技術(shù)國(guó)產(chǎn)化并最終獲取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)具有重要的意義。

[1]火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 13223—2011[S].

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]燃煤煙氣脫硝技術(shù)裝備：GB/T 21509—2008[S].