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為什么SCR脫硝工程一定要做CFD模擬?

2019年03月21日 熱度:165 ℃

參與過SCR工程的技術人員都知道SCR工程一般都要做CFD模擬,這是因為對進入催化劑之前的煙氣有速度場、濃度場和溫度場的要求。國標設計規范規定的催化劑入口流場要求見下圖1。

圖1-第一層催化劑入口煙氣流場的要求

那么為什么會提出這樣的流場要求呢?這主要是有三方面的考慮,1)系統安全;2)性能保證;3)經濟效率。下面將分別分析速度場、濃度場和溫度場對SCR脫硝的意義。

? ? 在速度場、濃度場和溫度場三個指標中,速度場是最為重要的一個。速度場的優劣關系到脫硝系統的成敗。以燃煤鍋爐為例,因為煙氣中含有一定的灰分,而用于SCR脫硝的催化劑無論是蜂窩式還是板式都是多孔狀的,當煙氣攜帶者灰分流經催化劑時如果速度過高,則催化劑容易磨損;如果煙氣流速過低,則又容易積灰。

圖2-被煙氣沖刷磨損的催化劑

圖3-催化劑表面的積灰

上圖2和圖3分別展示了某些項目催化劑的磨損和積灰,在這種情況下即便是正常的安全運行都無法做到,更不要說脫硝性能達標了。因此我們可以肯定地說均勻的速度場對于脫硝來說至關重要,失敗的流場設計將會導致系統無法正常運行。

上面這些實例和論證都在討論燃煤鍋爐,其煙氣中都有一定的飛灰,因而速度場顯得十分重要,那么對于燃油/燃氣鍋爐或者其它無灰的煙氣,速度場的要求還有意義嗎?確切地說當然有意義了。均勻的速度場不僅是安全運行的前提條件,也是性能保證的前提條件。不含灰的煙氣可以不考慮催化劑的磨損和積灰,但是煙氣速度場不均勻將會影響脫硝的性能,這是因為催化劑的設計是基于一定的速度場(即平均速度加上一定的速度偏差)。當煙氣速度場超過所允許的速度偏差時,催化劑是達不到設計效率的。(注:在討論速度場時為方便分析,我們先假定氨/氮分布是均勻的,不考慮氨/氮分布對性能的影響。)在速度過低的地方,由于同等面積同等時間下煙氣所攜帶的氨/氮是低于設計值的,這部分催化劑是沒有完全發揮最大效能的;相反速度過高的地方,同等面積同等時間下煙氣所攜帶的氨/氮是高于設計值的,這時會超出催化劑的承受能力,這個時候脫硝的性能就會受到影響。

接著討論濃度場,也就是NH3/NOx分布。SCR脫硝的反應可近似的理解成等摩爾比的反應,很顯然NH3/NOx要盡可能的均勻才能達到設計值。假定在NH3/NOx很不均勻,則在NH3/NOx過低的區域,出口的NOx會超標;而在NH3/NOx過高的區域,出口的NH3會超標。因此濃度場的優劣決定著SCR的脫硝性能。

實際工程運行中,由于NH3/NOx分布不均勻或者速度場不均勻而無法達標時,絕大多數廠家都采用過噴的方式來解決,這樣的處理方式雖然可以解決一時的燃眉之急,但同時也帶來了兩個問題:1運行費用的增加;2)增加系統運行的安全隱患。

運行費用的增加很好理解,因為過量的氨噴入勢必導致氨耗的增加。安全隱患主要指的是硫酸氫銨堵塞下游換熱器的情況。經過催化劑之后未反應完而剩余的氨我們稱之為氨逃逸,逃逸的氨會和SO3反應生成硫酸氫銨,硫酸氫銨在高溫時為氣態,溫度逐步降低到冷凝溫度后會變為液態,液態的硫酸氫銨類似人的鼻涕非常的黏,容易聚積,如果煙氣帶灰,那就更容易聚積了。硫酸氫銨的生成和氨及SO3的濃度正相關,當SCR脫硝采用過噴方式運行時,氨逃逸會大大增加的,此時硫酸氫銨的生成也會相應的增加,從而導致脫硝下游換熱器的堵塞。

? ? 最后來說溫度場。對于常規的燃煤、燃氣、燃油鍋爐溫度場幾乎天然就可以達標。但是對于焦化、燒結等需要通過補熱方式才能達到脫硝反應溫度的項目,溫度場就需要仔細設計了,這個問題留著下次詳細討論。

綜上所述基于安全運行、性能保證和經濟效益的考慮,在SCR脫硝工程中對煙氣進入催化劑前的速度場、濃度場和溫度場有一定的要求,這個要求需要通過CFD模擬來進行優化和校核。

? ? 那么SCR脫硝工程CFD模擬都要做哪些工作呢?下面逐一道來。

圖4-SCR的全模型

SCR模擬首先要選擇合適的模擬入口和出口。以常規的燃煤機組為例,SCR模擬首先要建立從省煤器出口到到空預器入口的完整的模型。如果模型不完整或者只取了局部,那么計算結果和實際運行情況偏差就會比較大。

圖5-煙道轉彎處的導流板

? ? 在整體外形尺寸確定的情況下,在每個彎頭處要設置適宜的導流板,通過對導流板的優化來確保煙氣在進入催化劑前的流場能夠達到相應的要求。

圖6-噴氨格柵

圖7-混合器

最后通過對噴氨格柵及混合器的位置及結構的模擬優化來確保濃度場滿足要求。

綜上所述,進行CFD模擬是SCR工程設計不可或缺的工作。

(本團隊長期致力于CFD在各類環保工程中的應用,歡迎大家交流咨詢,微信二維碼見下圖)

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