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为什么SCR脱硝工程一定要做CFD模拟?

2019年03月21日 热度:165 ℃

参与过SCR工程的技术人员都知道SCR工程一般都要做CFD模拟,这是因为对进入催化剂之前的烟气有速度场、浓度场和温度场的要求。国标设计规范规定的催化剂入口流场要求见下图1。

图1-第一层催化剂入口烟气流场的要求

那么为什么会提出这样的流场要求呢?这主要是有三方面的考虑,1)系统安全;2)性能保证;3)经济效率。下面将分别分析速度场、浓度场和温度场对SCR脱硝的意义。

    在速度场、浓度场和温度场三个指标中,速度场是最为重要的一个。速度场的优劣关系到脱硝系统的成败。以燃煤锅炉为例,因为烟气中含有一定的灰分,而用于SCR脱硝的催化剂无论是蜂窝式还是板式都是多孔状的,当烟气携带者灰分流经催化剂时如果速度过高,则催化剂容易磨损;如果烟气流速过低,则又容易积灰。

图2-被烟气冲刷磨损的催化剂

图3-催化剂表面的积灰

上图2和图3分别展示了某些项目催化剂的磨损和积灰,在这种情况下即便是正常的安全运行都无法做到,更不要说脱硝性能达标了。因此我们可以肯定地说均匀的速度场对于脱硝来说至关重要,失败的流场设计将会导致系统无法正常运行。

上面这些实例和论证都在讨论燃煤锅炉,其烟气中都有一定的飞灰,因而速度场显得十分重要,那么对于燃油/燃气锅炉或者其它无灰的烟气,速度场的要求还有意义吗?确切地说当然有意义了。均匀的速度场不仅是安全运行的前提条件,也是性能保证的前提条件。不含灰的烟气可以不考虑催化剂的磨损和积灰,但是烟气速度场不均匀将会影响脱硝的性能,这是因为催化剂的设计是基于一定的速度场(即平均速度加上一定的速度偏差)。当烟气速度场超过所允许的速度偏差时,催化剂是达不到设计效率的。(注:在讨论速度场时为方便分析,我们先假定氨/氮分布是均匀的,不考虑氨/氮分布对性能的影响。)在速度过低的地方,由于同等面积同等时间下烟气所携带的氨/氮是低于设计值的,这部分催化剂是没有完全发挥最大效能的;相反速度过高的地方,同等面积同等时间下烟气所携带的氨/氮是高于设计值的,这时会超出催化剂的承受能力,这个时候脱硝的性能就会受到影响。

接着讨论浓度场,也就是NH3/NOx分布。SCR脱硝的反应可近似的理解成等摩尔比的反应,很显然NH3/NOx要尽可能的均匀才能达到设计值。假定在NH3/NOx很不均匀,则在NH3/NOx过低的区域,出口的NOx会超标;而在NH3/NOx过高的区域,出口的NH3会超标。因此浓度场的优劣决定着SCR的脱硝性能。

实际工程运行中,由于NH3/NOx分布不均匀或者速度场不均匀而无法达标时,绝大多数厂家都采用过喷的方式来解决,这样的处理方式虽然可以解决一时的燃眉之急,但同时也带来了两个问题:1运行费用的增加;2)增加系统运行的安全隐患。

运行费用的增加很好理解,因为过量的氨喷入势必导致氨耗的增加。安全隐患主要指的是硫酸氢铵堵塞下游换热器的情况。经过催化剂之后未反应完而剩余的氨我们称之为氨逃逸,逃逸的氨会和SO3反应生成硫酸氢铵,硫酸氢铵在高温时为气态,温度逐步降低到冷凝温度后会变为液态,液态的硫酸氢铵类似人的鼻涕非常的黏,容易聚积,如果烟气带灰,那就更容易聚积了。硫酸氢铵的生成和氨及SO3的浓度正相关,当SCR脱硝采用过喷方式运行时,氨逃逸会大大增加的,此时硫酸氢铵的生成也会相应的增加,从而导致脱硝下游换热器的堵塞。

    最后来说温度场。对于常规的燃煤、燃气、燃油锅炉温度场几乎天然就可以达标。但是对于焦化、烧结等需要通过补热方式才能达到脱硝反应温度的项目,温度场就需要仔细设计了,这个问题留着下次详细讨论。

综上所述基于安全运行、性能保证和经济效益的考虑,在SCR脱硝工程中对烟气进入催化剂前的速度场、浓度场和温度场有一定的要求,这个要求需要通过CFD模拟来进行优化和校核。

    那么SCR脱硝工程CFD模拟都要做哪些工作呢?下面逐一道来。

图4-SCR的全模型

SCR模拟首先要选择合适的模拟入口和出口。以常规的燃煤机组为例,SCR模拟首先要建立从省煤器出口到到空预器入口的完整的模型。如果模型不完整或者只取了局部,那么计算结果和实际运行情况偏差就会比较大。

图5-烟道转弯处的导流板

    在整体外形尺寸确定的情况下,在每个弯头处要设置适宜的导流板,通过对导流板的优化来确保烟气在进入催化剂前的流场能够达到相应的要求。

图6-喷氨格栅

图7-混合器

最后通过对喷氨格栅及混合器的位置及结构的模拟优化来确保浓度场满足要求。

综上所述,进行CFD模拟是SCR工程设计不可或缺的工作。

(本团队长期致力于CFD在各类环保工程中的应用,欢迎大家交流咨询,微信二维码见下图)

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