某生活垃圾焚烧发电厂SCR脱硝系统数值模拟研究

揭 涛

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

随着我国国民经济的发展，人民的经济生活水平提高，生活垃圾围城的问题日益突出，成为影响人民生活环境的重要制约因素。目前，生活垃圾处理方式还是以焚烧处理为主，垃圾焚烧处理具有技术可靠、容量大、对垃圾适应性强、运行维护方便等优点，具有较高的推广价值[1]。但是，垃圾焚烧处理也有较大的弊端，相比于填埋法、堆肥法等处理手段，其燃烧需耗费较多的能源，且会排放大量的污染烟气。因此，针对垃圾焚烧工艺，均需设置烟气治理系统，以满足严格的环保要求。

选择性催化还原法(SCR)脱硝工艺是垃圾焚烧工艺中常用的烟气脱硝治理手段，具有脱除效率高、控制方便、运行可靠等特点[2-3]。在SCR系统设计时，对于催化剂的选择，一般只要根据所要求的脱硝效率及其他相关要求，通过充分论证与比较进行合理选择即可。但对SCR反应器的外形结构、烟道尺寸、导流板的设置情况及烟道转弯直径等方面的设计需针对具体工程进行个性化设计，否则，会影响反应器内烟气的速度场、温度场、氨氮摩尔比分布，从而影响到脱硝效率、运行费用和投资额的高低。从以往工程情况来看，如SCR反应器设计不当，使反应器内的烟气速度等分布不均，极易引起催化剂中毒、磨损以及导致较高氨逃逸等问题。

随着计算机技术的发展，所有涉及流体流动、热交换、分子输运等现象的问题，现在都可以借助计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)得到解决。目前为止，采用计算机数值模拟技术已经是国内外能源领域研究者普遍采用的手段，随着CFD技术的不断进步，国内外很多SCR系统供应商都在反应器设计工作中运用CFD技术对反应器进行优化设计[4-5]。

1 项目简述

本数值模拟对象为某生活垃圾焚烧发电工程SCR脱硝系统。针对SCR反应器的导流板设计，通过数值模拟，对比分析了无导流板结构、导流板结构I、导流板结构II的三种反应器内部烟气、氨气的流动形态，判断其结构的合理性，提出最终SCR系统定型方案并研究其流场特性。

(1)设计图纸如图1所示。

图1 SCR反应器结构

(2)烟气参数见表1。

表1 脱硝装置入口烟气参数

(3)喷氨格栅处氨气参数如表2所示。

表2 氨气参数

2 数学模型

流动的计算采用标准的k-ε方程模型，k为湍流动能，ε为湍流耗散率。k与ε的输运方程如下式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中，Gk代表由速度梯度产生的湍动能；Gb代表由浮力产生的湍动能；YM则是压缩作用的修正项。σk和σε则分别为k和ε的普朗特数。

湍流粘度μt通过k和ε由下式(3)计算：

(3)

催化剂部分的流动计算采用多孔介质模型。计算时主要考虑其阻力系数，阻力系数C2t计算如下式(4)：

(4)

式中，ρ为烟气密度，vt为烟气流速，Δp为通过该催化剂的压降。同时催化剂内部流动采用层流模型计算。

3 物理建模和网格划分

图2是有导流板设计方案的SCR反应器三维建模示意， 部分结构在不影响流场分布的基础上进行适当简化，以方便网格划分。

图2 导流板结构

如图2所示，待处理含氮烟气经烟气进口进入SCR系统，经烟道转向进入垂直向上烟道，氨气/空气混合气由喷氨格栅喷射进入SCR脱硝系统烟道，与入口烟气充分混合后，经过蒸汽加热器后，通过导流板与整流器整流，以均匀速度进入催化剂层，进行脱硝反应，生成H2O和N2，最后，脱除NOx的烟气由SCR出口烟道排除，进入下游设备。

根据该系统的实际运行情况，在满足实际要求的情况下，为了便于流场分析和CFD计算，建模过程中对该反应器做如下简化[6-7]：

(1)假设烟气进口速度场分布均匀；

(2)建模过程中增加导流板、整流器用于改变流场；

(3)建模过程中忽略对流场较小的支撑构造；

(4)导流板和壁面在模拟过程中假设厚度为0。

根据以上假设，利用CFD计算前处理软件GAMBIT2.4.6对SCR反应器进行三维建模，在喷氨格栅处、蒸汽加热器等处，采用三角形网格TGRID进行铺设，在正常直段处，采用cooper网格进行铺设。针对喷氨孔较小位置，将其局部增加网格数量用于反应实际流场。模型网格计算总数量为216万，模型壁面为标准壁面函数。

4 边界条件设置

数值模拟边界条件设置为：

烟气入口：流速7.8 m/s，温度423 K，O2体积分数0.0666，CO2体积分数0.0799，H2O体积分数0.2315，NO体积分数0.00015。

喷氨入口：温度403 K，氨气/空气混合气速度12.6 m/s, O2体积分数0.2086，NH3体积分数0.0064。

5 计算结果分析

5.1 无导流板结构SCR反应器的流场特点(100%BMCR工况)

图3为无导流板结构SCR反应器的压力降云图，可以看出无导流板结构，其整体压力损失较小，但由于没有导流板，在烟气流经顶部弯头后，分布不均匀，导致压力场也不均匀。

图3 无导流板结构SCR反应器压损

图4，图5是无导流板情况下的SCR反应器平均截面速度场，NH3浓度场和催化剂上游0.5 m处速度云图。从计算结果可以看出，第一层催化剂上游0.5 m处速度偏差很大，达到47.8%，其平均截面烟气速度场也不均匀，明显存在回流区，完全达不到烟气流场均匀稳定的设计前提，需进行优化设计，以满足催化剂的技术要求。

图4 SCR反应器混合烟气速度云图

图5 催化剂上游0.5 m处速度云图

5.2 有导流板结构SCR反应器的流场特性(100% BMCR工况)

图6为烟气在通过导流板SCR反应器过程中的压力降云图，由图6可以看出，烟气在整个流动过程中，整体压力降约为1580 Pa，导流板的设置也不会过多增加系统的阻力，完全在设计要求之内。

图6 有导流板结构SCR反应器压损

图7、图8为BMCR工况下，混合烟气通过导流板SCR反应器的流场特性，由图可以看出，导流板的设置，反应器的烟气流场得到明显的改善，烟气流速均匀，无明显流速偏差发生，通过数据分析可看出，此处截面流速最大偏差≤14.8%；根据计算，此截面平均流速为3.06 m/s。

图7 SCR反应器混合烟气速度云图

图8 催化剂上游0.5 m处速度云图

表3是两种SCR反应器计算结果汇总，通过对两种导流方式工况SCR反应器的数值模拟计算可以看出，通过合理的导流板设计，可以使得混合烟气在通过反应器时速度场(偏差<15%)、浓度场均匀(偏差<10%)。

表3 计算结果汇总

6 结 论

(1)SCR反应器设计时，导流板的有无、型式对烟气流场有重要影响。对于不同的SCR反应器，应设计合理的导流板型式，以保证烟气在流动过程中均匀稳定通过催化剂模块，达到设计的脱硝效率。

(2)在SCR反应器的设计过程中，CFD是有效工具手段。CFD技术可以直观、高效地将烟气流动过程进行展示，方便设计人员进行不同工况、不同结构的设计，避免了重复搭建冷态试验装置进行流场分析，大大节约了人力、物力。