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摘要：利用 FLUENT 软件，对某300MW燃煤机组SCR脱硝提效改造项目进行流场分析，针对运行中出现的问题，提出合理的流场优化方案。结果表明：提高喷氨所在烟道的速度均匀性，消除喷氨管根部的高速区，可有效防止喷氨管磨损，同时提高氨与烟气混合的均匀性；通过反应器内上方导流板的优化设计，调整进入催化剂层速度场的均匀性，可减少催化剂磨损与积灰。
关键词：SCR脱硝；流场优化；数值模拟；工程改造；
导语
当前我国对燃煤电厂污染物排放限值的要求越来越严格，烟气脱硝能达到很高的NOX脱除效率，其中应用较多的有选择性催化还原法（SCR）能达到90%以上的脱除率。【1】
选择性催化还原法（SCR）脱硝技术在实际工程上应用时，存在着流场不均匀、还原剂与烟气混合差、催化剂磨损与积灰、脱硝效率不达标、逃逸氨超标等一系列问题【2】【3】。对在运脱硝装置进行优化，成为当前的一个新课题。
本文以某300MW机组脱硝提效改造项目为研究对象，利用 FLUENT 软件，对该脱硝系统流场进行模拟计算，针对运行过程中出现的问题，基于工程要求，提出合理的调整优化方案。
1、数值模拟对象与条件
1.1 SCR脱硝系统
研究范围包括：SCR脱硝装置入口及连接烟道、喷氨装置、导流板、整流器、反应器及出口烟道等。烟气从省煤器出来，进入水平烟道，水平烟道布置了喷氨装置，通过四组导流板、一组整流器，进入催化剂层，在催化剂作用下，烟气中的氮氧化物与氨气反应生成水和氮气，经过脱硝后的烟气由出口烟道引出后进入空气预热器。
SCR脱硝系统流场优化前，主要存在如下问题：喷氨管根部位置磨损；氨与烟气混合不均，反应器出口NOX浓度分布偏差较大；局部催化剂的磨损、积灰严重。
1.2 模型与计算方法
根据实际运行工况，对SCR烟气脱销系统做出如下的假设和简化【4】：假设烟气为单相气体，不考虑粉尘对流场的影响；将烟气作为不可压缩牛顿流体；省煤器出口烟气温度、速度和成分分布均匀；流体流动为定常动；系统为绝热系统；催化剂层采用多孔介质进行模拟；不考虑任何化学反应；忽略一些对流场影响较小的内部构造（构架、梁等）。
基于上述的假设，整个SCR反应器的数值模拟通过Fluent系列软件完成，气体流动采用标准k-ε 模型，反应器中烟气、稀释空气和氨气混合采用组分输运模型，催化剂层采用多孔介质模型，以简化结构并体现其增加阻力的作用。
2. 优化前SCR流场模拟结果与分析
2.1 喷氨管磨损及氨混合不均分析
如图2所示，喷氨区域呈现显著的速度梯度，喷氨区域由上而下速度逐渐增加，喷氨底部速度可高达约20～23m/s的速度，随着脱硝机组运行，易造成喷氨管的磨损。
喷氨区域上部速度低，下部速度高，这造成了喷氨对应的流场不均，以均匀喷氨匹配不均匀速度场，喷氨后必然产生氨浓度梯度，喷氨区域上部浓度高，下部浓度低，对应地，竖直段左侧浓度高，右侧浓度低，进入反应器后，反应器左侧浓度低，右侧浓度高，如图3所示。
图3为第一催化剂层上方0.5米截面的氨浓度分布云图，氨浓度分布呈显著梯度，氨浓度分布直接影响脱硝后反应器出口NOX浓度分布情况。由于Nh3与NOX的还原反应，Nh3浓度高的部位，NOX浓度会偏低，Nh3浓度低的部位，NOX浓度会偏高，进而造成脱硝反应器出口左侧NOX浓度会偏高，右侧浓度偏低。
鉴于上述分析，提出流场改造方案：省煤器出口处设置导流板或其它形式整流装置，以改善喷氨区域的速度场，使得喷氨区域速度均匀，消除较大的“上低下高”速度梯度，解决喷氨管下部的磨损问题，同时改善氨浓度分布不均问题。鉴于省煤器出口布置有灰斗，不宜设置导流板，可在省煤器出口后的水平段设置了一组圆管整流，调整喷氨截面的速度均匀性。
2.2 催化剂磨损/积灰分析
由图4可见，左侧竖直烟道拐弯至水平烟道的弯头布置了“90度圆弧+直段”形式的导流板，导流板背风侧速度略低，且导流板存在水平段，是脱硝系统长时间运行后易积灰的区域。反应器上侧一组（七片）导流板也有明显的低速区域，在背风侧易积灰，随机组运行时间增长，该导流板上的积灰易掉落下来，造成催化剂积灰。烟气进入反应器明显存在着“斑马线形式”的速度波带现象，反应器左侧低速区易造成积灰，速度波带中的高速区易催化剂磨损。
催化剂上方烟气存在极明显的速度波带，高速波带的数量与整流板上方导流板的数量一致，显然，速度波带是催化剂上方一组导流板（七片导流板）造成的，该组导流板设计有待改进。
流场改造方案：（1）左侧弯头处的导流板更换，采取短小且避免近水平的形式，以减少积灰的可能性。（2）反应器上方导流板与整流板的配合作用未达到设计要求，需要进行重新设计。
3. 优化后SCR流场模拟结果与分析
根据上文的分析结果，结合项目运行问题，总结以下流场优化的思路。
（1）调整喷氨管所在水平烟道的速度均匀性。通过一组扰流圆管进行整流，调整該水平烟道速度场均匀，使烟气速度场与喷氨更为匹配，同时消除喷氨管根部高速区，减少喷氨管磨损问题。
（2）图4弯头处，采取短小型且不易积灰的形式，替代易积灰的导流板。
（3）基于项目要求，在不改变反应器平顶形式、保留原有整流板的原则上，对SCR反应器上方的导流板进行重新设计。
3.1 喷氨区域流场优化结果分析
图5为流场优化后喷氨区域速度云图，与图2对比，通过一组整流圆管（图5中三排圆管）的作用，消除了图2中“上低下高”的速度梯度，使得喷氨所在截面速度均匀，速度场更加匹配均匀喷氨，有利于提高烟气与氨的均匀混合；同时可消除底部喷氨管的高速区（见图2），减少磨损。为提高运行可靠性，此处整流圆管需做防磨处理。 图6为流场优化后第一催化剂层上方0.5米截面的氨浓度分布云图，通过对喷氨管所在水平烟道速度场的优化，还原剂氨与烟气的均匀混合程度也得到大大提高，氨与烟气混合的浓度偏差由原来的15.72%降低至2.02 %。
3.2 SCR反应器上方流场优化结果分析
图7为流场优化后反应器中心截面速度分布云图，与图4对比，用图7中短小型导流板代替图4中“90度圆弧+直段” 形式导流板后，仍然能满足流场设计要求，且有效避免了导流板积灰的产生。
图7中一组微斜近竖直的导流板代替图4中一组（七片）90度圆弧导流板后，“斑马线形式”的速度波带现象基本消失，流场均匀性增加；该组微斜近竖直的导流板极其不易成为积灰点，有效解决了图4中导流板积灰后掉入催化剂层的问题。该组导流板与催化剂层上方的整流板相互协同，调整进入催化剂层的速度均匀性，对防止催化剂磨损或积灰均起到至关重要的作用。
4. 小结
本文对某300 MW 燃煤锅炉脱硝改造工程SCR 系统进行了数值模拟，通过流场优化与分析，得到以下结论：
（1）数值模拟为工程项目提供流场分析依据，是SCR脱硝设计必不可少的部分。
（2）均匀喷氨布置需匹配均匀流场，提高喷氨管所在烟道的速度均匀性是合理喷氨设计的前提。
（3）合理的SCR脱硝流场设计应尽量避免导流板、催化剂层的磨损及积灰等问题。消除速度场中的高速区，采用耐磨材料，可有效减少磨损问题；消除速度场（特别是易积灰区域）的低速区，采用短小型且避免水平的导流板形式，可有效减少积灰问题。
参考文献：
[1]孙克勤，钟秦.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2006：9 - 17.
[2]李壮扬，苏乐春，宋子健，等.660 MW 燃煤机组SCR流场模拟优化与喷氨优化运行[J].洁净煤技术，2017，23（4）：47-52.
[3]罗 敏，陳鸿伟，李凡，等.600 MW 燃煤机组 SCR 催化剂入口流场模拟优化及改造分析[J].电力科学与工程，2016，32（6）：8-13.
[4]赵丰宇，崔成云，孙晶.SCR流场结构优化数值模拟[J].锅炉制造，2017，（6）：32-34.
关键词：SCR脱硝；流场优化；数值模拟；工程改造；
导语
当前我国对燃煤电厂污染物排放限值的要求越来越严格，烟气脱硝能达到很高的NOX脱除效率，其中应用较多的有选择性催化还原法（SCR）能达到90%以上的脱除率。【1】
选择性催化还原法（SCR）脱硝技术在实际工程上应用时，存在着流场不均匀、还原剂与烟气混合差、催化剂磨损与积灰、脱硝效率不达标、逃逸氨超标等一系列问题【2】【3】。对在运脱硝装置进行优化，成为当前的一个新课题。
本文以某300MW机组脱硝提效改造项目为研究对象，利用 FLUENT 软件，对该脱硝系统流场进行模拟计算，针对运行过程中出现的问题，基于工程要求，提出合理的调整优化方案。
1、数值模拟对象与条件
1.1 SCR脱硝系统
研究范围包括：SCR脱硝装置入口及连接烟道、喷氨装置、导流板、整流器、反应器及出口烟道等。烟气从省煤器出来，进入水平烟道，水平烟道布置了喷氨装置，通过四组导流板、一组整流器，进入催化剂层，在催化剂作用下，烟气中的氮氧化物与氨气反应生成水和氮气，经过脱硝后的烟气由出口烟道引出后进入空气预热器。
SCR脱硝系统流场优化前，主要存在如下问题：喷氨管根部位置磨损；氨与烟气混合不均，反应器出口NOX浓度分布偏差较大；局部催化剂的磨损、积灰严重。
1.2 模型与计算方法
根据实际运行工况，对SCR烟气脱销系统做出如下的假设和简化【4】：假设烟气为单相气体，不考虑粉尘对流场的影响；将烟气作为不可压缩牛顿流体；省煤器出口烟气温度、速度和成分分布均匀；流体流动为定常动；系统为绝热系统；催化剂层采用多孔介质进行模拟；不考虑任何化学反应；忽略一些对流场影响较小的内部构造（构架、梁等）。
基于上述的假设，整个SCR反应器的数值模拟通过Fluent系列软件完成，气体流动采用标准k-ε 模型，反应器中烟气、稀释空气和氨气混合采用组分输运模型，催化剂层采用多孔介质模型，以简化结构并体现其增加阻力的作用。
2. 优化前SCR流场模拟结果与分析
2.1 喷氨管磨损及氨混合不均分析
如图2所示，喷氨区域呈现显著的速度梯度，喷氨区域由上而下速度逐渐增加，喷氨底部速度可高达约20～23m/s的速度，随着脱硝机组运行，易造成喷氨管的磨损。
喷氨区域上部速度低，下部速度高，这造成了喷氨对应的流场不均，以均匀喷氨匹配不均匀速度场，喷氨后必然产生氨浓度梯度，喷氨区域上部浓度高，下部浓度低，对应地，竖直段左侧浓度高，右侧浓度低，进入反应器后，反应器左侧浓度低，右侧浓度高，如图3所示。
图3为第一催化剂层上方0.5米截面的氨浓度分布云图，氨浓度分布呈显著梯度，氨浓度分布直接影响脱硝后反应器出口NOX浓度分布情况。由于Nh3与NOX的还原反应，Nh3浓度高的部位，NOX浓度会偏低，Nh3浓度低的部位，NOX浓度会偏高，进而造成脱硝反应器出口左侧NOX浓度会偏高，右侧浓度偏低。
鉴于上述分析，提出流场改造方案：省煤器出口处设置导流板或其它形式整流装置，以改善喷氨区域的速度场，使得喷氨区域速度均匀，消除较大的“上低下高”速度梯度，解决喷氨管下部的磨损问题，同时改善氨浓度分布不均问题。鉴于省煤器出口布置有灰斗，不宜设置导流板，可在省煤器出口后的水平段设置了一组圆管整流，调整喷氨截面的速度均匀性。
2.2 催化剂磨损/积灰分析
由图4可见，左侧竖直烟道拐弯至水平烟道的弯头布置了“90度圆弧+直段”形式的导流板，导流板背风侧速度略低，且导流板存在水平段，是脱硝系统长时间运行后易积灰的区域。反应器上侧一组（七片）导流板也有明显的低速区域，在背风侧易积灰，随机组运行时间增长，该导流板上的积灰易掉落下来，造成催化剂积灰。烟气进入反应器明显存在着“斑马线形式”的速度波带现象，反应器左侧低速区易造成积灰，速度波带中的高速区易催化剂磨损。
催化剂上方烟气存在极明显的速度波带，高速波带的数量与整流板上方导流板的数量一致，显然，速度波带是催化剂上方一组导流板（七片导流板）造成的，该组导流板设计有待改进。
流场改造方案：（1）左侧弯头处的导流板更换，采取短小且避免近水平的形式，以减少积灰的可能性。（2）反应器上方导流板与整流板的配合作用未达到设计要求，需要进行重新设计。
3. 优化后SCR流场模拟结果与分析
根据上文的分析结果，结合项目运行问题，总结以下流场优化的思路。
（1）调整喷氨管所在水平烟道的速度均匀性。通过一组扰流圆管进行整流，调整該水平烟道速度场均匀，使烟气速度场与喷氨更为匹配，同时消除喷氨管根部高速区，减少喷氨管磨损问题。
（2）图4弯头处，采取短小型且不易积灰的形式，替代易积灰的导流板。
（3）基于项目要求，在不改变反应器平顶形式、保留原有整流板的原则上，对SCR反应器上方的导流板进行重新设计。
3.1 喷氨区域流场优化结果分析
图5为流场优化后喷氨区域速度云图，与图2对比，通过一组整流圆管（图5中三排圆管）的作用，消除了图2中“上低下高”的速度梯度，使得喷氨所在截面速度均匀，速度场更加匹配均匀喷氨，有利于提高烟气与氨的均匀混合；同时可消除底部喷氨管的高速区（见图2），减少磨损。为提高运行可靠性，此处整流圆管需做防磨处理。 图6为流场优化后第一催化剂层上方0.5米截面的氨浓度分布云图，通过对喷氨管所在水平烟道速度场的优化，还原剂氨与烟气的均匀混合程度也得到大大提高，氨与烟气混合的浓度偏差由原来的15.72%降低至2.02 %。
3.2 SCR反应器上方流场优化结果分析
图7为流场优化后反应器中心截面速度分布云图，与图4对比，用图7中短小型导流板代替图4中“90度圆弧+直段” 形式导流板后，仍然能满足流场设计要求，且有效避免了导流板积灰的产生。
图7中一组微斜近竖直的导流板代替图4中一组（七片）90度圆弧导流板后，“斑马线形式”的速度波带现象基本消失，流场均匀性增加；该组微斜近竖直的导流板极其不易成为积灰点，有效解决了图4中导流板积灰后掉入催化剂层的问题。该组导流板与催化剂层上方的整流板相互协同，调整进入催化剂层的速度均匀性，对防止催化剂磨损或积灰均起到至关重要的作用。
4. 小结
本文对某300 MW 燃煤锅炉脱硝改造工程SCR 系统进行了数值模拟，通过流场优化与分析，得到以下结论：
（1）数值模拟为工程项目提供流场分析依据，是SCR脱硝设计必不可少的部分。
（2）均匀喷氨布置需匹配均匀流场，提高喷氨管所在烟道的速度均匀性是合理喷氨设计的前提。
（3）合理的SCR脱硝流场设计应尽量避免导流板、催化剂层的磨损及积灰等问题。消除速度场中的高速区，采用耐磨材料，可有效减少磨损问题；消除速度场（特别是易积灰区域）的低速区，采用短小型且避免水平的导流板形式，可有效减少积灰问题。
参考文献：
[1]孙克勤，钟秦.火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M].北京：化学工业出版社，2006：9 - 17.
[2]李壮扬，苏乐春，宋子健，等.660 MW 燃煤机组SCR流场模拟优化与喷氨优化运行[J].洁净煤技术，2017，23（4）：47-52.
[3]罗 敏，陳鸿伟，李凡，等.600 MW 燃煤机组 SCR 催化剂入口流场模拟优化及改造分析[J].电力科学与工程，2016，32（6）：8-13.
[4]赵丰宇，崔成云，孙晶.SCR流场结构优化数值模拟[J].锅炉制造，2017，（6）：32-34.