引入化学反应的600MW火电机组烟气SCR脱硝性能模拟(1).pdf

引入化学反应的600 MW火电机组烟气 SCR 脱硝性能模拟 王键朱彤王俩杨剑宋宝华王中原周欣王瑾 中节能六合天融环保科技有限公司，北京 100085 摘要 以600 MW火电机组现有 SCR 脱硝装置为研究对象， 应用 CFD 软件完成建立模型、 划分网格、 选择数学模型、 设 置边界条件、 模拟计算等工作， 最终得出 SCR 脱硝系统流速分布及 Cv 值、 压力损失、 NH3分布及逃逸浓度等结果。结 果表明 SCR 脱硝系统流速分布均匀、 偏差符合设计要求， NH3与烟气混合均匀， 氨逃逸浓度低。 关键词 SCR 脱硝;有限速率化学反应;流速分布;氨逃逸 FLUE GAS SCR DENOxPERANCE SIMULATION OF 600MW THERMOELECTRIC GENERALING SET USING CHEMICAL REACTION Wang JianZhu TongWang LiaYang JianSong BaohuaWang ZhongyuanZhou XinWang Jin CECEP Liuhe Talroad Environmental Technology Co． ， Ltd，Beijing 100085，China AbstractTaking SCR deNOxinstallations for 600MW thermoelectric generating set as study object，CFD software was used to complete the building models，division of grid，choosing the mathematical model，setting boundary conditions，and simulation work;at last it was obtained the results of SCR deNOxsystem velocity distribution and Cv value，pressure loss，distribution and escaping concentration of NH3．Results indicated that SCR deNOxsystem velocity was distributed evenly and the deviations in line could meet design requirements，NH3was mixed with flue gas evenly，ammonia escaping concentration was low． KeywordsSCR denitrification;finite-rate chemical reactions;flow velocity distribution;ammonia escaping 0引言 2011 年 7 月 29 日环保部发布了将于 2012 年 1 月 1 日实施的 GB 132232011火电厂大气污染物 排放标准 中明确规定了 2012 年新建火力发电锅炉 及燃气轮机机组大气污染物中氮氧化物排放限值为 100 mg/m3， 除 2003 年 12 月 31 日前建成投产火力发 电锅炉执行限值为200 mg/m3外现有火电机组也要 在 2014 年 7 月 1 日起执行该限值。我们可以直观看 到国家在“十二五” 期间对火电厂大气污染物中氮氧 化物排放标准提高到一个非常高的水平， 现有常用的 锅炉低氮燃烧技术和 SNCR 选择性非催化还原脱硝 技术已经不能满足该排放标准的要求。这个标准的 实施意味着现有和新建火电机组都必须加装 SCR 选 择性催化还原脱硝设备才能满足新排放标准的要求。 然而在常规 SCR 脱硝系统设计前期利用 CFD 软件对 脱硝反应器内部流场及脱硝效果进行模拟分析的一 项非常重要也是必须应用的技术手段。 1SCR 脱硝系统特点 1. 1SCR 反应原理 SCR 技术是还原剂 NH3、 尿素 在金属催化剂作 用下， 选择性地与 NOx反应生成 N2和 H2O， 而不是 被 O2所氧化， 故称为“选择性” 。选择适当的催化剂 反应可以在200 ～ 400 ℃ 的温度范围内有效进行。在 NH3/NO 1 的条件下， 可以得到 80 ～ 90 的 NOx 脱除率。目前， 世界各国采用的 SCR 系统， 技术成熟 运行可靠， NOx脱除率高。 1. 2SCR 脱硝系统运行参数 在 SCR 系统设计中， 最重要的运行参数有 入口 NOx浓度、 NH3/NOx摩尔比、 反应流速、 催化剂结构、 SCR 系统压降、 NH3的溢出浓度等。SCR 系统必须设 76 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 置 合 理 的 NH3/NOx摩 尔 比。 NOx脱 除 率 随 着 NH3/NOx摩尔比的增加而增加， 但是如果 NH3投入 量过高， NH3氧化等副反应的反应速度将增大， 同时 也增加了净化后烟气中 NH3的排放浓度， 造成二次 污染。烟气流速直接影响 NH3与 NOx的混合程度， 需要设计合理的流速以保证 NH3与 NOx充分混合使 反应充分进行。 2SCR 脱硝反应器模拟 2. 1建立脱硝反应器三维模型 本脱硝反应器三维模型的建立基于600 MW火电 机组脱硝系统实际运行阶段脱硝反应器结构， 通过 CFD 辅助设计该脱硝反应器外形结构和内部导流板 设置在设计阶段通过了多次反复修改和完善。该 600 MW火电机组脱硝系统为双路结构设计即烟气离 开省煤器后分两路分别进入脱硝系统， 再由脱硝装置 底部汇入空气预热器。本模拟过程选用两路脱硝系 统中的一路作为研究对象进行建模， 脱硝反应器整体 模型如图 1 所示。本脱硝反应器内部进行了合理的 整流设计 反应器入口烟气流向发生改变的位置设置 了导流板; 催化剂反应区入口处设置了整流格栅; 反 应器出口烟气流向发生改变的位置设置了导流板。 脱硝反应器出口灰斗设计利于脱硝系统清理低位积 灰。脱硝反应器尺寸及内部结构见表 1。 图 1脱硝反应器整体模型 表 1脱硝反应器模型参数 入口 尺寸 高 宽 催化剂 入口尺寸 长 宽 催化 剂层数 备用 整流 格栅 高度 整流 格栅 间隔 出口 尺寸 高 宽 3. 8m 12m15m 12m20. 8m0. 3m3. 8m 12m 2. 2三维模型划分网格 由于 SCR 脱硝装置结构复杂且导流板和整流格 栅非常多， 因此在划分网格的过程中首先要对模型进 行分区， 针对不同的区域应用不同类型的网格单元对 模型进行划分。本次 SCR 脱硝反应器模型共分为 9 个区。由于催化剂层需要采用多孔介质模型要单独 设置， 所以包含入口不含导流板部分和催化反应区分 为 6 个区。这 6 个区占整个脱硝反应器 70 以上体 积且内部结构简单， 选用结构简单的六面体作为该区 域网格单元进行划分。入口含导流板、 整流格栅部分 与出口含导流板部分分别设置 1 个区。这两个区域 设有壁厚较薄的导流板和整流格栅结构十分复杂， 但 是根据其在 Z 方向上的投影特性首先在模型的典型 侧面选 择 Pave 类 型 的 面 非 结 构 性 网 格， 再 利 用 Cooper 模式在整个模型上生成体的非结构性网格。 SCR 脱硝反应灰斗部分单独设置 1 个区， 该区域结构 复杂且相对任何坐标轴没有投影性， 故只能选择相对 网格数量多、 网格单元尺寸偏差大的 TGrid 非结构三 角形 /四面体网格对该区域模型进行划分。脱硝反应 器模型分区划分网格后整体截面效果如图 2 所示。 图 2 SCR 脱硝反应器网格截面 2. 3数学模型的选择 2. 3. 1气相湍流模型 从雷诺时均 N-S 方程组出发、 选用标准 k-ε 湍流 模型对气相湍流进行模拟。气体流动模型包括三维 的连续性方程、 动量方程和 k-ε 的两个输运方程， 它 们可统一表达为以下形式  ρu x  ρv  y  ρω z  x Γ   x  y Γ   y  z Γ   z S S p 式中 在空间 x、 y、 z 三个方向的速度分别为 u、 v、 ω ;S是由气相引起的源项或汇项;S p 是由固体颗 粒引起的源项， 对连续性方程而言， 该项是颗粒的质 量变化项， 对动量方程而言， 是由颗粒和气体之间的 86 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 相互阻力以及颗粒的热解挥发而引起的动量源项。 2. 3. 2化学反应模型 本模拟过程涉及到化学反应、 混合和输运过程， 因此选用有限速率化学反应模型 Laminar Finite-Rate 的体积反应 Volumetric Reactions 作为气相反应的化 学反应模型。化学反应组分中忽略了烟气中含量较 低且对脱硝影响较小的成分， 共设置了 6 种化学组 分 H2O、 N2、 O2、 NO、 NH3、 CO2， 其中 5 种物质参与了 脱硝化学反应。 2. 4设置边界条件 2. 4. 1SCR 脱硝装置入口边界条件 本模拟过程中选择了标准 k-ε 湍流模型， 因此在 烟气入口位置定义边界条件时首先将烟气入口定义 为速度入口形式， 还要设置入口流速、 水力直径、 湍流 强度等参数。由于有限速率化学反应模型的引入需 要设置入口烟气各组分的质量百分比。脱硝反应器 入口参数见表 2。 表 2脱硝反应器入口烟气参数 烟气量 标态/ m3h － 1 烟气量 实态/ m3h － 1 入口 流速 / ms－ 1 水力 直径 / m 湍流 强度 / H2O/ N2/ O2/ NOx/ CO2/ 935000222576918. 082. 672. 4567760. 03867 2. 4. 2喷氨格栅入口边界条件 为达到脱硝系统的最佳模拟效果， 本系统在图 2 模型上喷氨格栅位置均匀布置了多点氨喷射喷嘴。 在喷氨入口边界条件设置过程中首先将喷氨入口设 置为质量流入口并根据入口烟气设计 NOx浓度、 脱 硝效率、 NH3/NOx摩尔比计算出氨实际喷射量。喷 氨入口参数见表 3。 表 3喷氨入口参数 NOx入口量 / mol h － 1 脱硝效率 / NH3/NOx 摩尔比 NH3喷射量 未含空 气用量 / kg h － 1 15633901. 2239. 19 2. 4. 3催化剂层边界条件 与常规 SCR 脱硝系统模拟相同本模拟过程同样 将催化剂层设置为多孔介质。由于原烟气含尘量适 中， 所以催化剂选用常见的 18 孔蜂窝式催化剂。催 化剂尺寸规格及相关多孔介质参数见表 4。 表 4催化剂参数 催化剂 单体 孔数 /孔 孔尺寸 长 宽 / mm 孔隙率 / 黏性阻 力系数 / m － 2 惯性阻力系 数 多孔介质 参数 /m － 1 18 187. 08 7. 0872. 181. 3391 2. 5模拟结果分析 通过反复对网格文件的完善和模拟过程参数的 调整完成残差曲线的收敛， 最终得出催化剂层流速分 布、 催化剂层速度偏差、 系统流速分布、 系统阻力、 系 统氨浓度分布等模拟结果。 2. 5. 1催化剂层流速分布云图及偏差分析 如图 3 所示烟气经过整流格栅后在催化剂入口 处流速范围3. 5 ～ 5 m/s， 平均流速4. 25 m/s， 速度偏 差 Cv 为 17. 6 。显然烟气由于导流板和整流格栅 的作用， 流速控制在一个较小的可控范围内。如图 4 所示当烟气通过催化剂从出口离开催化剂时流速范 围4 ～ 4. 28 m/s， 平均流速4. 14 m/s， 速度偏差 Cv 为 3. 4 。从上述结果可以看出， 当烟气进入催化剂层 时催化剂的小孔均布结构使混合烟气得到了充分的 均布。这个位置的速度偏差非常理想， 避免了空穴、 高速流现象的出现。表明烟气与氨的混合非常均匀， 为氨对 NOx的还原提供了非常好的前提条件。 图 3催化剂入口流速分布云图 图 4催化剂出口流速分布云图 2. 5. 2SCR 脱硝反应器流速分布 由图 5 可见整个反应器内流速过渡均匀， 且催化 区流线均匀没有明显涡流出现。由于系统导流板、 整 流板设置合理， 使脱硝催化剂层附近烟气均匀分布， 流 速偏差很小。SCR 催化剂重要催化剂反应区只有第一 层催化剂入口段流速偏差略大， 其余整个催化剂层速 度偏差均小于 10 ， 符合脱硝系统常规设计要求。 96 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期 图 5整个脱硝反应器内流速分布云图 2. 5. 3SCR 脱硝系统 NH3浓度分布及逃逸浓度 如图 6 所示还原剂 NH3在 SCR 脱硝系统内浓度 分布， 很显然在 SCR 脱硝反应器入口未喷氨处 NH3 浓度为零。当烟气通过喷氨格栅后， NH3浓度迅速增 大。由于喷氨格栅采用多点均布方式设计， 喷氨格栅 出口最高浓度达到了2. 2 10 － 4 kmol/m3。当烟气中 NOx与 NH3接触后发生了还原反应转换为 N2，NH3 随着被消耗而浓度有所降低。在催化反应区内 NOx 与 NH3反应十分充分， 因此在图中也可以明显看到 催化反应区底部 NH3浓度降到了7. 7 10 － 5 kmol/m3 以下。如图 7 所示为清晰表示出 SCR 反应器出口 NH3浓度， 该云图只显示出2. 2 10 － 7 kmol/m3以下 的 NH3浓度范围。从图中可以看出 SCR 脱硝反应器 出口局部最高浓度也只有5. 5 10 － 8 kmol/m3， 这个 浓度折合成国际通用单位也只有0. 85 mg/m3。完全 符合现有氨逃逸浓度小于2. 28 mg/m3的控制标准。 图 6NH3浓度分布云图 3结论 本文通过针对现有600 MW火电机组 SCR 脱硝 项目进行了建立模型、 划分网格、 选择数学模型、 设置 边界条件、 模拟计算等一系列工作， 得到了 SCR 脱硝 系统 流 速 分布及 偏差、 NH3浓 度分布及逃 逸 浓 度 图 7脱硝系统出口 NH3 浓度 等非常有价值的模拟结果。通过模拟结果， 我们可以 得出如下结论 1 结构及导流板设计合理保证了 SCR 脱硝系统 流速分布均匀、 偏差符合设计要求。 2 SCR 脱硝系统内部流场稳定无明显涡流， 流 速过渡平缓， 系统阻力满足设计要求。 3 有限速率化学反应模型的引入， 使 CFD 完成 了对 SCR 脱硝系统烟气中各组分出入口浓度的模 拟。 4 传统的矩阵喷氨格栅布置方式可以实现 NH3 的均匀分配、 脱硝系统正常运行及较低氨氮摩尔比。 5 催化反应区内脱硝效果明显， 氨逃逸浓度达 到较低水平。 参考文献 ［1］郭刚， 李小勤， 叶茂． 600MW 机组 SCR 烟气脱硝装置技术开发 ［J］． 东方电气评论， 2009， 23 92 57- 61． ［2］杜文贵， 吴其荣， 余宇． SCR 烟气脱硝系统物料能量平衡模拟与 辅助设计［J］． 环境工程， 2008， 26 5 35- 37． ［3］张洁， 马骏彪， 胡永峰， 等． 选择性催化还原法烟气脱硝关键技 术分析［J］． 华电技术， 2010， 32 12 71- 74． ［4］刘小波， 陈东林， 姜昌伟， 等． 燃煤锅炉选择性催化还原脱硝反 应器 结 构 的 模 拟 优 化［J］． 动 力 工 程 学 报， 2010， 30 5 384- 389． ［5］蒋新伟， 施平平， 钟毅， 等． 电站锅炉 SCR 系统流场的冷态试验 与数值模拟的研究［J］． 能源与环境， 2010 3 51- 55． ［6］温正， 石良臣， 任毅如． FLUENT 流体计算应用教程［M］． 北京 清华大学出版社， 2009 81- 96． ［7］郭婷婷， 刘汉强， 杨勇平， 等． 基于数值模拟的 1000MW 燃煤机 组 SCR 脱硝系统设计［J］． 电站系统工程， 2010， 26 5 61- 64． 作者通信处王俩100085北京海淀区上地三街 9 号嘉华大厦 E 座 6 层中节能六合天融环保科技有限公司 2011 － 10 － 24 收稿 07 环境工程 2012 年 10 月第 30 卷第 5 期