摘要：本文对良村热电330MW机组#1锅炉SCR脱硝系统进行反应器内烟气流场数值模拟，通过结构优化，确定最佳导流板布置并提出改造方案。对比改造前后SCR反应器出口沿宽度方向氮氧化物浓度，结果显示：浓度样本标准偏差由22.0降至5.0，改造后SCR反应器的均流性能获得显著提升。额定负荷相同氨氮摩尔比下总液氨耗量由改造前190kg/h降低至109kg/h，降幅达到40%以上。
关键词：SCR脱硝系统，导流板，流场优化，数值模拟，试验研究
1.引言
氮氧化物（NOx）是煤燃烧过程中释放的主要污染物之一，会对人类健康造成严重危害，随着我国对氮氧化物排放标准的提高，国内燃煤锅炉都需要采取有效的措施来降低氮氧化物的排放量。在众多脱硝方法中，选择性催化还原（SCR）脱硝技术以其工艺成熟、运行可靠、脱硝效率高等优点在火力发电行业获得广泛应用。脱硝效率和氨逃逸率是衡量SCR系统性能的两个重要指标，而SCR反应器前烟气与氨气的混合程度和速度分布的均匀程度是影响这两个指标的重要因素，只有速度大小合适、分布均匀，反应物充分混合均匀，才能保证反应器的脱硝效率、氨逃逸率和催化剂的使用寿命。因此，通过合理设计和布置导流板，从而改善SCR反应器入口段流场的均匀性，可提高脱硝系统的性能。
本文建立了良村热电#1锅炉330MW燃煤机组SCR脱硝系统的三维模型，利用流体动力学计算软件对其内部烟气流场进行数值模拟计算，通过对比不同导流板方案下的流场均匀性，得出了最优的导流板布置方案。对比改造前后反应器出口氮氧化物的浓度分布，验证了改造的效果。
2.物理模型
按照1:1的比例建立SCR脱硝系统的全尺度三维模型，如图1(a)所示。模型中主要考虑烟道结构、导流板以及整流格栅对烟气流场的影响。改造前导流板组1和导流板组3的布置形式分别如图2(a)、(b)所示。
对上述模型进行网格划分，模型网格划分的优劣直接关系到模拟结果的合理性。采用分区划分网格的方法，将计算区域分解多个相对简单的模型分别进行网格划分。考虑导流板、整流格栅和烟道其他部分的尺寸差异较大，对它们进行局部网格加密，在兼顾计算量和网格合理性的情况下，此次模拟SCR脱硝系统模型总网格数约为300万，计算模型总体网格划分情况如图1(b)所示。
3数学模型和计算方法
3.1数学模型
对SCR脱硝系统进行流场模拟，采用湍流k-ε双方程模型计算烟气流动；催化剂结构模拟采用多孔介质模型，依据实际压降计算确定多孔介质内的粘性阻力系数和惯性阻力系数，并选择合适的孔隙率。计算过程做如下简化：实际系统漏风较小，因此不考虑系统的漏风；烟气中的飞灰对本研究影响较小，烟气视为单相气态不可压缩流体，连续介质，且为定常流动；流体物性参数为常数；省煤器出口烟气速度分布均匀。
3.2边界条件
根据电厂实际运行情况构建SCR反应器模型，烟道入口采用速度入口（Velocityinlet）边界条件，根据烟气体积流量、成分和模型入口尺寸得到模型入口（即省煤器出口）烟气速度为8.5m/s；烟道出口为压力出口（Pressure-outlet）边界条件；烟道壁面、导流板和整流格栅设为壁面（Wall），采用标准壁面方程、无滑移边界条件。
4.结果分析及改造方案详述
首先，针对当前导流板和整流格栅布置形式的烟道结构内烟气流动情况进行流体动力学数值模拟计算，得特征截面速度分布如图3-图4所示。
由于结构入口导流板转向角度过大，导致流体经过大角度转向后，导流板背面区域易形成低速流体区，并且由于流动截面突变，现有导流板并未实现烟气流动在突变后截面上的均匀分布，导致喷氨系统入口截面和催化剂层入口截面速度分布在x方向上出现较大偏差：①影响烟气与氨气混合的均匀程度；②催化剂层烟气流速的偏差（如图4）会严重影响对烟气中氮氧化物的脱除效率。最终导致SCR脱硝系统喷氨量过大，而系统脱硝效率低下。
通过对比不同导流板转向角度和布置方式，获得优化流场均匀分布的较为合理的改造方式，改造的主题包括入口烟道渐扩区域与脱硝顶部转向区域，方案描述如下：①入口烟道渐扩区域主要依靠调整导流板转向角度和增加导流板的方式，合理分配流体在扩口区域的速度；②脱硝顶部位置主要采取加高烟道的方式以增加流通面积和整流格栅进口前斜面转向角，通过合理设计圆弧形挡板半径与平面挡板长度，对比优化安装位置，以使流体转向后截面速度分布较为均匀。
改造后对烟道入口渐扩区域导流板的个数、位置和角度都进行了调整；对脱硝顶部转向区域的烟道结构和导流板布置均进行了调整，将烟道垂直方向上提高，烟道截面高度提升，圆弧导流板的半径增大，原折形导流板重新设计调整，上述导流板在烟道内均匀布置。
对改造后的烟道结构建模进行流体动力学数值模拟计算，计算模型、边界条件等均按照前文所述进行设置，得特征截面速度分布如图-图8所示。
由改造前后特征截面速度云图可见，入口烟道渐扩区域导流板的调整，基本消除了导流板背面区域的低速流体区，显著减小了由于截面突变造成的低速回流区，减小了喷氨系统入口截面和催化剂层入口截面速度偏差，烟气和氨气混合均匀程度更高，且SCR反应器催化剂层的速度分布更加均匀（对比图6和图4），可显著减小喷氨量，提高SCR脱硝系统的脱硝效率。
图7显示了额定负荷相同氨氮摩尔比下改造前后反应器喷氨量对比。液氨耗量由改造前190kg/h降低至109kg/h，降幅达到40%以上，改造后SCR脱硝系统喷氨量显著减小。
图8显示了流场优化前后脱硝出口氮氧化物浓度测量结果，其中测点1、2、3自西向东分别分布在东侧烟道和西侧烟道内，可以表示x方向上脱硝出口氮氧化物均匀程度。改造前后氮氧化物浓度样本标准偏差由22.0降至5.0，氮氧化物浓度分布均匀性显著提高，由此说明改造后脱硝反应器流场均匀性得到明显改善。
5.结论
通过对良村热电330MW机组#1锅炉SCR脱硝系统进行反应器内烟气流场数值模拟，进行结构优化，确定最佳导流板布置并提出改造方案。数值模拟结果显示，对入口烟道渐扩区域导流板的调整，基本消除了导流板背面区域的低速流体区，显著减小了由于截面突变造成的低速回流区，喷氨系统入口截面和催化剂层入口截面速度偏差大幅降低。对比改造前后SCR反应器出口沿宽度方向氮氧化物浓度，现场测量结果显示：浓度样本标准偏差由22.0降至5.0，改造后SCR反应器的均流性能获得显著提升。额定负荷相同氨氮摩尔比下总液氨耗量由改造前190kg/h降低至109kg/h，降幅达到40%以上。
原标题：良村热电#1锅炉烟气SCR脱硝系统流场优化 数值模拟与改造
