脫硝裝置的模擬優(yōu)化

SCR脫硝系統(tǒng)的模擬優(yōu)化1引言SCR脫硝裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行的關(guān)鍵在于如何盡可能保證反應(yīng)器內(nèi)煙氣的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)及反應(yīng)物的濃度場(chǎng)(NH3/NOx)均勻分布，以保證較高的脫硝效率并降低氨逃逸網(wǎng)。通常從省煤器出口到SCR反應(yīng)器入口的煙道設(shè)計(jì)與布置十分緊湊、急轉(zhuǎn)彎多且煙道截面變化大，致使煙氣速度和溫度分部不均，難以保證煙氣與氨氣的均勻混合。在SCR裝置中加裝導(dǎo)流板能夠有效的改善彎道內(nèi)的流場(chǎng)，導(dǎo)流板的布置方案與工程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于SCR裝置設(shè)備龐大且系統(tǒng)復(fù)雜，若采用常規(guī)的試驗(yàn)臺(tái)研究方法或?qū)σ淹哆\(yùn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，是即不經(jīng)濟(jì)也不現(xiàn)實(shí)的［68］。近些年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)的快速發(fā)展，人們可以對(duì)復(fù)雜的換熱、流動(dòng)、混合和化學(xué)反應(yīng)過程的進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)外眾多研究學(xué)者都開始利用計(jì)算流體力學(xué)軟件工具對(duì)流體力學(xué)問題進(jìn)行深入的研究陷］。采用計(jì)算流體力學(xué)軟件來模擬分析SCR脫硝系統(tǒng)，可以得到煙氣流動(dòng)特性、混合特性及化學(xué)反應(yīng)特性，來優(yōu)化改進(jìn)SCR脫硝設(shè)備結(jié)構(gòu)，使反應(yīng)器內(nèi)部流場(chǎng)更均勻，使煙氣與還原劑混合更均勻，從而提高煙氣脫硝效率。本章主要闡述流場(chǎng)和反應(yīng)物混合數(shù)值模擬分析原理并建立模擬計(jì)算煙氣脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)和反應(yīng)器中NH3與煙氣混合效果的方法，并結(jié)合FLUENT軟件及本文所研究SCR脫硝機(jī)組，對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器的幾何模型、軟件的設(shè)置方法和步驟進(jìn)行了較詳細(xì)的分析討論。3.2流場(chǎng)數(shù)值模擬方法計(jì)算流體力學(xué)(ComputationalFluidDynamics，CFD)是對(duì)流體流動(dòng)基本方程控制下流動(dòng)問題的數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬，可以分析顯示出流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置上的某些基本物理量的分布現(xiàn)象，能夠在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)流場(chǎng)。其基本過程：首先在空間上用有限體積法將計(jì)算域離散成若干小的體積單元，然后再在每個(gè)體積單元上求解離散后的控制方程。SCR脫硝反應(yīng)器的流場(chǎng)計(jì)算包括控制方程的建立、控制方程的離散和控制方程的求解三個(gè)步驟。3.2.1模型的假設(shè)SCR煙氣脫硝過程涉及到湍流流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)、多組分輸運(yùn)等過程，混合氣體流動(dòng)必須要遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。另外，由于流動(dòng)處于湍流狀態(tài)且包含著不同成分的混合，則遵守湍流輸運(yùn)方程和組分守恒定律［70，73］。對(duì)實(shí)際工況模型進(jìn)行如下假設(shè)：SCR脫硝系統(tǒng)煙氣進(jìn)出口溫度差別很小，假設(shè)系統(tǒng)為絕熱系統(tǒng)；

煙氣流動(dòng)為定常流動(dòng)；延期流動(dòng)中物性參數(shù)為定值；由于煙氣中灰分很少，因此煙氣中的灰分的影響不加以考慮；在上游煙道中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)量非常少，可以不加考慮；煙氣個(gè)組分與還原劑氣體為理想氣體；煙氣在催化劑層中的流動(dòng)只考慮層流流動(dòng)［74,其湍流的生成與影響不考慮；實(shí)際系統(tǒng)漏風(fēng)較小，因此不考慮系統(tǒng)的漏風(fēng)；3.2.2控制方程的建立湍流模型SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的煙氣流動(dòng)是三維的湍流流動(dòng)，實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)SCR內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，主要是基于求解Reynolds時(shí)均化方程及關(guān)聯(lián)量的輸運(yùn)方程的湍流模擬方法，即應(yīng)用湍流模型。本章選用標(biāo)準(zhǔn)的k-E微分模型:c+—Oz?（P?）+；（Pv?）+#（pvQ+?（PV矽=ct ox x ay y cz zc+—Ozc+—Oy采用散度表達(dá)出通用形式：c一(p?)+div(.pe)=div(V-grade)+Sct e其中，口為動(dòng)力粘度系數(shù)；s’和e分別廣義源項(xiàng)和通變量；p為混合氣體密度；〃為速度矢量￥模型控制方程所對(duì)應(yīng)的’、「和條的表達(dá)式見下表:

iH角坐榻音下日一」.模型的控制方程方歸英甲r ,10U%a卻a(Sir1d［由］若］*窿l心余Jgtrt方&V帝時(shí)dtt}d(血］節(jié)臨如計(jì)卻嚇Ja的量方積W土i十四告計(jì)展嫁(?+￡(是)+&ta*網(wǎng)方Wg網(wǎng))r乂+也3按生際麗黑而*物質(zhì)輸運(yùn)模型SCR反應(yīng)器中流動(dòng)介質(zhì)成分含有煙氣和氨氣等不同組分，煙氣為多種物質(zhì)組成，因此流動(dòng)過程涉及到物質(zhì)混合情況研究。常常采用混合物的物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬計(jì)算多種氣體成分同時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的過程。根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的守恒方程，得到第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程來計(jì)算每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)匕的通用方程，如下表達(dá)：d/—(pYi)+V(pvY)=-VJ+R+S其中，R為化學(xué)反應(yīng)速率；二是物質(zhì)i的擴(kuò)散通量；湍流中計(jì)算質(zhì)量擴(kuò)散量如下形式：一，u\J—PD+：VYi"頃Sc)i' t/其中Sct是湍流施密特?cái)?shù)，缺省設(shè)置值為0.7。多孔介質(zhì)模型蜂窩式和板式催化劑結(jié)構(gòu)是最常見的，一般單塊尺寸約為1X1X2mso多孔介質(zhì)就是固體物質(zhì)形成的骨架與由骨架分隔而形成的大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。當(dāng)使用此模型時(shí)，就規(guī)定了一個(gè)多孔介質(zhì)的單元區(qū)域，且流動(dòng)的壓力損失是由多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程中所輸入的內(nèi)容來確定。因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)模型結(jié)合模型區(qū)域所具有的阻力的經(jīng)驗(yàn)公式被定義為“多孔氣事實(shí)上就是在動(dòng)量方程

中附加的動(dòng)量損失而已，因此，模型就會(huì)有很多的限制［78］：流體通過介質(zhì)時(shí)不會(huì)加速，因?yàn)閷?shí)際上出現(xiàn)的體積阻塞并沒有在模型中出現(xiàn)。這對(duì)于過渡流具有很大的影響，因?yàn)樗馕吨鳩LUENT不能正確的描述通過介質(zhì)的過渡時(shí)間。多孔介質(zhì)對(duì)于湍流的影響只是近似的，在多孔介質(zhì)中，默認(rèn)的情況下FLUENT會(huì)解湍流量的標(biāo)準(zhǔn)守恒方程。多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程中附加的動(dòng)量源項(xiàng)表示為：S空D時(shí)+口CPvvj=1 j=i其中Sj是i方向上(x,y,z)的動(dòng)量源項(xiàng)，D和C為規(guī)定的矩陣。3.2.3控制方程的離散及求解網(wǎng)格的劃分是離散的基礎(chǔ)，即離散化物理量的存儲(chǔ)位置，在離散過程起著關(guān)鍵的作用，網(wǎng)格的形式和密度對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果有重要的影響。SCR脫硝反應(yīng)器模型為三維模型，首先將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍具有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積，然后按要求求解的控制方程對(duì)每一個(gè)控制體積進(jìn)行積分，而得出離散方程組。本文采用一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程離散。對(duì)離散后的控制方程進(jìn)行求解可分為耦合式解法和分離式解法，工程最常用的為壓力耦合方程組半隱式方法(SIMPLE算法):采用“猜測(cè)一修正”算法，在交錯(cuò)網(wǎng)格基礎(chǔ)上計(jì)算壓力場(chǎng)，求解離散動(dòng)量方程，若計(jì)算不收斂，則重新修正壓力場(chǎng)的給定值，進(jìn)行下一次的計(jì)算，直到得到收斂解為止［］。本文控制方程的求解采用SIMPLE算法。3.3600MW機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)模擬分析本文以某電廠600MW超臨界燃煤機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)作為研究對(duì)象。該機(jī)組鍋爐為超臨界變壓直流、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣的燃煤鍋爐，煤種采用山東某地區(qū)混合煤。機(jī)組安裝的SCR脫硝系統(tǒng)主要脫硝的反應(yīng)器、氨儲(chǔ)存罐、氨噴射器、導(dǎo)流板、吹灰器和整流系統(tǒng)等組成，其中氨噴射器布置在反應(yīng)器的入口煙道內(nèi)。每臺(tái)機(jī)組安裝兩個(gè)SCR脫硝反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器處理鍋爐煙氣總量的50%，反應(yīng)器安裝在省煤器與空氣預(yù)熱器之間的煙道上，屬于高溫高塵布置，工作溫度能夠滿足反應(yīng)所需溫度，且脫硝裝置沒有設(shè)置煙氣旁路系統(tǒng)。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的脫硝效率為85%，氨逃逸量控制在5ppm以內(nèi)，超過報(bào)警。由于每臺(tái)機(jī)組的兩個(gè)SCR脫硝反應(yīng)器的幾何結(jié)構(gòu)和工作條件完全相同，催化劑采用模塊化設(shè)計(jì)的蜂窩式結(jié)構(gòu)的V2O5-TiO2,規(guī)格統(tǒng)一，具有互換性。所以本文僅對(duì)其中一個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行模擬優(yōu)化分析。23.3.1SCR模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

計(jì)算區(qū)域選取SCR系統(tǒng)煙氣入口到反應(yīng)器出口煙道之間的區(qū)域，根據(jù)已知系統(tǒng)的實(shí)際尺寸，利用FLUENT前處理軟件GAMBIT繪制的此反應(yīng)區(qū)域模型。系統(tǒng)的幾何模型如圖3-1所示。SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道的截面尺寸為3.5OmX11.65m,噴氨段煙道的截面尺寸為3.70mXll.65m,噴氨格柵布置在距離入口處的上壁面Y=5m處；每層催化劑尺寸為:11.60mX1.062mX11.65m，每相鄰兩層催化劑間凈距離為2.75m。催化劑部分與噴氨段煙道的間距為1.50m,整個(gè)反應(yīng)器的寬度（沿Z軸方向）為11.65m。3-1.SCR脫硝反應(yīng)器兒何結(jié)構(gòu)3.3.2網(wǎng)格及邊界條件的設(shè)定本文的網(wǎng)格由FLUENT軟件的前處理軟件GAMBIT生成，其中三維單元網(wǎng)格主要有四面體、六面體、金字塔和楔形單元等形式。在選擇網(wǎng)格的時(shí)候，依賴具體的問題，必須考慮初始化的時(shí)間、計(jì)算的花費(fèi)和數(shù)值的耗散情況，在保證網(wǎng)格質(zhì)量符合要求的前提下，依據(jù)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和計(jì)算精度來確定最終網(wǎng)格的數(shù)量。本文對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器模型進(jìn)行了分區(qū)劃分，在結(jié)構(gòu)規(guī)則的直線段煙道區(qū)域內(nèi)采用六面體網(wǎng)格劃分，在煙道拐角處、噴氨段的煙道與催化劑部分的連接煙道處等結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且流場(chǎng)變化大的區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或混合網(wǎng)格劃分，SCR煙氣脫硝反應(yīng)器和煙道的網(wǎng)格模型如圖3-2所示。

-LErk=崖想由舊搭-LErk=崖想由舊搭一*:=iuFffl建蘑m[aF!!?=Lu一罰宿m理勺一燹煎畫襄sin#!:二=*2HHgau_14M圖.4-2SCR系統(tǒng)向洛劃分考慮到計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，在煙道拐角處、噴射格柵的煙道部分和催化劑模型上，要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行了網(wǎng)格加密與簡(jiǎn)化。由于AIG的具體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了方便劃分網(wǎng)格，對(duì)其進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，對(duì)計(jì)算結(jié)果也沒有大的影響。噴氨格柵可以看做是一排帶有噴嘴的橫管，因噴嘴尺寸相對(duì)較小，將噴嘴段的煙道的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，便于考察噴嘴噴射情況，如圖3-3所示。同理，在模擬導(dǎo)流板煙道區(qū)域內(nèi)時(shí)，也需要對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。在入口煙道及出口煙道等區(qū)域采用粗的正六面體網(wǎng)格或正六面體與楔形混合的Cooper網(wǎng)格。考慮到蜂窩狀的催化劑劃分網(wǎng)格上的困難，對(duì)其設(shè)置為簡(jiǎn)單的多孔介質(zhì)模型，故劃分網(wǎng)格時(shí)采用正六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即可。由上所述的方法對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約為417萬，節(jié)點(diǎn)數(shù)約為163萬。當(dāng)網(wǎng)格劃分完成以后，再設(shè)定相應(yīng)的邊界區(qū)域及邊界類型。煙氣入口設(shè)置為速度入口邊界條件，煙氣出口為嚴(yán)厲出口邊界條件，其余的煙道壁面為無滑移、無熱傳導(dǎo)的壁面條件。最后輸出mesh文件，導(dǎo)入到FLUENT求解器中。

3.3.3CFD模擬方法求解器及運(yùn)行環(huán)境的確定FLUENT6.3兩種求解器：壓力基求解器(Pressure-basedSolver)和密度基求解器(Density-basedSolver)。這兩種求解器所求解的對(duì)象是相同的，求解的控制方程均為描述質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒的連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程。兩種求解器對(duì)大多數(shù)流動(dòng)求解都適用，但密度基求解器的計(jì)算量大，而且對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的要求偏高［80,81，82］。因此本文在計(jì)算過程中選用了壓力基求解器，流動(dòng)狀態(tài)選用穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，速度按絕對(duì)速度處理。在計(jì)算過程中不考慮重力對(duì)流動(dòng)過程的影響，運(yùn)行環(huán)境中的參考?jí)毫闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01325X105Pao設(shè)定方法為：?jiǎn)螕鬌efine/operatingconditions命令，進(jìn)行相關(guān)的設(shè)定。設(shè)置計(jì)算模型計(jì)算模型選擇就是預(yù)先確定FLUENT在計(jì)算過程中是否考慮傳熱現(xiàn)象，流動(dòng)按無粘、層流還是湍流考慮，是否有相變發(fā)生，是否按多相流考慮以及是否存在化學(xué)組分的變化和化學(xué)反應(yīng)發(fā)生等。本文在流場(chǎng)的計(jì)算過程中，不考慮傳熱的影響，對(duì)化學(xué)組分變化及化學(xué)反應(yīng)也不考慮。經(jīng)判斷湍流的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，很顯然反應(yīng)裝置煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，因此選用可信度和精度更高的重整化RNGks模型來模擬煙道流場(chǎng)。設(shè)定方法為：Define/Models/ViscousModel命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置在煙氣與還原劑氨氣混合效果的數(shù)值模擬中，不考慮二者之間的化學(xué)反應(yīng)，除了選用重整化RNGk-8模型來模擬湍流流動(dòng)以外，還應(yīng)選擇組分輸運(yùn)模型。組分模型輸是用來對(duì)化學(xué)組分輸運(yùn)和燃燒等化學(xué)反應(yīng)過程的模擬計(jì)算。FLUENT中組分輸運(yùn)模型包括：通用有限速率模型、預(yù)混燃燒模型、非預(yù)混燃燒模型、部分預(yù)混合燃燒模型和組分PDF輸運(yùn)模型。本文對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣與還原劑氨氣的混合模擬選擇通用有限速率模型。設(shè)定方法為：在Define/Models/species命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。定義材料煙氣是流經(jīng)省煤器之后再進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)裝置，煙氣的組分和各組分的體積分?jǐn)?shù)詳見表3-4,在不同工況下煙氣入口的流量及溫度見表3-5省煤器出口煙氣成分和鍋爐不同負(fù)荷下SCR脫硝系統(tǒng)入口的煙氣參數(shù):表省煤器出摑氣蛆分NiVol%CQ;Vol%SO；Vol%MOxVol%74J314,587.700J060.04

表3d鍋爐不同負(fù)荷SCR系統(tǒng)A：If?氣參數(shù)「工BMCRTHA75%THA40%TWA爐瞠出口過量"氣系數(shù)1如1.201.29150煙氣流垠tn'.'li47268784II3Q05432415031993250煙7溫度'C|37435933229B由表中數(shù)據(jù)計(jì)算可知，在BMCR工況下，進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)器的煙氣的主要參數(shù):溫度T=647K；速度為"=14.83m/s；密度為p=0.6074kg/m3；動(dòng)力粘度為〃=5.91X10-5Pa?s。設(shè)置方法是，單擊Define/Materials命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。氨氣與空氣等的相關(guān)物性參數(shù)直接使用FLUENT自帶的材料數(shù)據(jù)。由噴射格柵(AIG)噴入煙道的還原劑是氨氣與空氣的混合氣體，氨氣的體積分?jǐn)?shù)為5%。設(shè)定邊界條件邊界條件與初始條件是控制方程有確定節(jié)的前提。邊界條件就是指在求解區(qū)域邊界上，來求解的變量或?qū)?shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)變的規(guī)律。對(duì)邊界條件的處理，將直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度。在所研究區(qū)域物理邊界上，對(duì)于速度與溫度邊界條件一般可設(shè)置為固體邊界上取無滑移速度邊界條件，即固定邊界上流體的速度等于固體表面的速度，當(dāng)固體靜止時(shí)，則有u=v=w=0o假設(shè)SCR脫硝反應(yīng)器中煙氣流場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，邊界條件設(shè)置如下：入口：采用速度進(jìn)口邊界條件在BMCR工況下，煙氣進(jìn)口inlet1:T=647K；u=14.83m/s，v=0，w=0；煙道進(jìn)口水力直徑:D=5.73m，入口湍流強(qiáng)度：1=0.02554。出口：采用壓力出口邊界條件T=647K；Pout=0Pa；出口水力直徑為D=5.73m，湍流強(qiáng)度1=0.02554。對(duì)于催化劑床層選用多孔質(zhì)模型，流動(dòng)方式選用層流，流動(dòng)方向的粘性阻力系數(shù)為1.65e+061/m，孔隙率為0.65。固體壁面和導(dǎo)流板均設(shè)為無滑移、無熱傳導(dǎo)的wall邊界條件。求解控制參數(shù)的設(shè)置為了更好的控制模擬求解過程，需要在求解器中進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置?？刂品匠痰碾x散采用一階迎風(fēng)格式，而欠松弛因子保持相應(yīng)的默認(rèn)值。設(shè)定方法為：在Sovle/Controls/Solution命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。在對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解之前，需要向FLUENT提供流場(chǎng)解的初始猜測(cè)值，即流場(chǎng)初始化。流場(chǎng)的初始化主要采用兩種方法：一種方法是采用相同的場(chǎng)變量值來初始化整個(gè)流場(chǎng)中的所有單元，另一種方法則是在選定的單元區(qū)域內(nèi)給選擇的流場(chǎng)變量覆蓋一個(gè)值或一個(gè)函數(shù)。本文選擇第二種方法，即從入口處進(jìn)行初始化。設(shè)定方法為：在Solve/Initialize/Initialize命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

在求解過程中，通過檢查變量殘差值、力、面積分、統(tǒng)計(jì)值和體積分等量，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)視計(jì)算的收斂性和當(dāng)前的計(jì)算結(jié)果，可以顯示或打印阻力、升力、力矩系數(shù)、表面積分和多個(gè)變量的殘差值。同時(shí)，對(duì)連續(xù)性及速度在X、y、z三個(gè)方向的速度分量的殘差值分別設(shè)置為10-5，且k和8的殘差設(shè)為10-5。設(shè)定方法為：在Solve/monitors/residual命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。6）流場(chǎng)迭代計(jì)算前面各項(xiàng)設(shè)置完成后，就可以進(jìn)行流場(chǎng)的迭代計(jì)算了。本文求解的問題屬于穩(wěn)態(tài)問題的計(jì)算，可以直接啟動(dòng)計(jì)算進(jìn)程。設(shè)定方法為：在Solve/Iterate命令，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。3.3.4流場(chǎng)與濃度場(chǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)SCR脫硝系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要是指NOx的高脫出率和氨的低逃逸率，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證流動(dòng)場(chǎng)和反應(yīng)物濃度場(chǎng)相應(yīng)的均勻程度，因此系統(tǒng)內(nèi)氣流速度分布的均勻性和NH3/N0X的均勻分布是系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化兩個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。氣流速度分布的均勻性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外有關(guān)氣流速度分布均勻性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)主要有：美國(guó)RMS標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)IGCI標(biāo)準(zhǔn)、瑞士ELEX標(biāo)準(zhǔn)、前蘇聯(lián)M標(biāo)準(zhǔn)、日本海重工業(yè)株式會(huì)社標(biāo)準(zhǔn)及武漢冶金安全技術(shù)研究所K標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)。目前最常用的是美國(guó)的RMS標(biāo)準(zhǔn)，即相對(duì)均方根法，速度分部偏差系數(shù)Cv，其判定公式為：x100%C=F￡vn、i=x100%式中，vi—測(cè)點(diǎn)的氣流速度；n—速度測(cè)定斷面的測(cè)點(diǎn)數(shù)，m/s；7—測(cè)定斷面平均氣流速度，m/s；根據(jù)設(shè)計(jì)要求規(guī)定，當(dāng)氣流速度分布C<25%時(shí)，為合格；當(dāng)氣流速度分布C<20%時(shí)，為良好；當(dāng)氣流速度分布C技15%時(shí)，為優(yōu)秀；該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)速度場(chǎng)的'不均勻性反應(yīng)比較靈敏，便于評(píng)定氣流速度均勻性質(zhì)量的好壞。本文采用該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)SCR系統(tǒng)流速分布的均勻性，一般而言，高效的SCR系統(tǒng)要求AIG上游及第一層催化劑入口截面要求C<15%。V2.NH3/NOx的均勻分布的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際上對(duì)噴氨混合效果中nh3/nox均勻分布性仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，但有很多的文獻(xiàn)都把氨質(zhì)量濃度的不均勻程度的作為評(píng)估脫硝反應(yīng)器的性能［90］本文以此標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。氨濃度在煙道某測(cè)點(diǎn)上的值用P］表示，煙道某截面所有測(cè)點(diǎn)P|的平均值用P表示，煙道某截面所有測(cè)點(diǎn)P|的均方差用C表示，噴氨濃度的不均勻度用標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)C表示，故有：1P

式中:n為測(cè)定斷面的測(cè)點(diǎn)數(shù);100%■1式中:n為測(cè)定斷面的測(cè)點(diǎn)數(shù);100%■1nv'n1i12，測(cè)定斷面i值的均方，測(cè)定斷面濃度的平均值;i差；一，測(cè)定斷面濃度的平均值;ini1SCI入口煙道流場(chǎng)的模擬優(yōu)化煙氣在反應(yīng)器中的停留時(shí)間是提高脫硝效率效率的關(guān)鍵之一。隨著煙氣在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間的增大，能夠使得煙氣在催化劑微孔內(nèi)進(jìn)行充分的反應(yīng)，從而提高NOx的脫除效率。然而，若煙氣停留時(shí)間過長(zhǎng)，容易產(chǎn)生NH3的氧化反應(yīng)，且容易造成煙道的積灰，從而降低了脫硝效率，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。所以，SCR系統(tǒng)要合理設(shè)計(jì)的煙氣流速，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求煙氣通過催化劑的速度在4~6m/s之間啊。加裝導(dǎo)流板對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)的優(yōu)化作用是比較成功的方法，且有研究表明彌度直邊導(dǎo)流板是一種比較合理有效的導(dǎo)流板形式倒，山碩35］。不同的SCR脫硝系統(tǒng),由于其結(jié)構(gòu)布置不同，導(dǎo)流板的布置方案也不同。科學(xué)合理地布置導(dǎo)流板,能夠有效的減少流體流經(jīng)彎道時(shí)的分離現(xiàn)象，同時(shí)也減小二次流帶來的阻力。因此,應(yīng)用數(shù)值模擬方法對(duì)SCR反應(yīng)器入口煙道及其內(nèi)部導(dǎo)流、整流格柵布置進(jìn)行模擬優(yōu)化，改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，優(yōu)化流場(chǎng)提高脫硝性能。3.4.1不加導(dǎo)流板煙道流場(chǎng)分布■r'l駕駕^勘^^^!拾。駕駕!■■■■溢#島Um目"":;■*?"EJ—JJ1-33]33IIIII-IRr5JIfr圖■r'l駕駕^勘^^^!拾。駕駕!■■■■溢#島Um目"":;■*?"EJ—JJ1-33]33IIIII-IRr5JIfr與lil圖3-5.空塔布置時(shí)z=5.825m截面速度云圖（加上速度等值線）煙道內(nèi)不任何加導(dǎo)流裝置時(shí)由圖3和圖4可知，煙道內(nèi)速度分布很不均勻，難以滿足流場(chǎng)的設(shè)計(jì)均勻性。由圖3中可以看出，上升煙道左側(cè)部分沒有得到充分利用，速度偏低，最低速度只有1一2左右，而右側(cè)的上部煙道至拐角處速度

偏高，在AIG位置最大速度高達(dá)21.9m/s，而且SCR反應(yīng)器入口處流場(chǎng)極其不均勻，左半部多數(shù)為低速區(qū)，右側(cè)大部分為高速區(qū)，中間有漩渦存在，在第1層催化劑入口位置最大速度接近16.3m/s,最低為1.0m/s；圖4與圖3相比，煙道的速度分部基本沒有發(fā)生變化，提取各節(jié)點(diǎn)相應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算，空塔系統(tǒng)總流動(dòng)阻力為171.98Pa，煙道入口y=8.8處速度偏差系數(shù)為38.93%，而裝有催化劑后總阻力變?yōu)?75.2Pa，催化劑入口處速度偏差達(dá)43.2%；圖5安裝催化劑和AIG后，經(jīng)計(jì)算的系統(tǒng)總阻力變?yōu)?27.96Pa,AIG上游的煙道入口y=8.8處速度偏差系數(shù)為23.93%，速度的均勻性有了較大的改善，但仍不能滿足設(shè)計(jì)要求的AIG上游截面速度偏差系數(shù)小于15%，必須進(jìn)一步采取措施進(jìn)行優(yōu)化。3.4.2加裝導(dǎo)流板后煙道流場(chǎng)分布入口煙道方向變化是導(dǎo)致流場(chǎng)不均勻的重要原因，煙氣從入口到煙道的AIG段，氣流方向發(fā)生了90°的變化，流體在流動(dòng)方向變化的過程中被擠向外側(cè)，從而導(dǎo)致上升煙道外側(cè)流體的壓強(qiáng)升高，由伯努利方程可知，當(dāng)外側(cè)流體速度相應(yīng)減小時(shí)，相對(duì)應(yīng)彎道內(nèi)側(cè)的流體壓強(qiáng)是先降低后升高，速度出現(xiàn)先快后慢的現(xiàn)象，流體在慣性和離心力的作用下甩向外側(cè)，容易導(dǎo)致流場(chǎng)分離。因此為了提高煙道左側(cè)的速度，使得煙道流場(chǎng)分布均勻，在煙道的拐角處處設(shè)置不同形狀和不同數(shù)量的導(dǎo)流板。在煙道拐角處布置布置1?4塊非均勻?qū)Я靼?，?jīng)過多次模擬比較，在煙氣入口的第一個(gè)拐角處距內(nèi)壁約1/3、3/5、4/5設(shè)置圓弧直角導(dǎo)流板，能夠使煙氣在AIG前得到較好的流場(chǎng)效果，如圖5所示；圖中可以看出，在第二個(gè)拐角處，由于流場(chǎng)的方向和尺寸變化比較大，煙氣的流速又變得不均勻，最大流速達(dá)25m/s，煙道的內(nèi)側(cè)為低速區(qū)，外側(cè)為高速區(qū)，速度偏差非常大，為了消除這一現(xiàn)象經(jīng)過反復(fù)多次試驗(yàn)，在煙道第二個(gè)拐角距內(nèi)壁約1/5、2/5、7/10處安裝圓弧直角導(dǎo)流板，能夠得到滿意的導(dǎo)流效果。圖6為在裝有AIG和催化劑層的脫硝裝置下，裝有導(dǎo)流板的Z=5.825m處的速度云圖。（加一個(gè)速度分部圖）由上圖5,6可以看出，采用最佳的導(dǎo)流板布置時(shí)，垂直煙道內(nèi)的流速分布用已趨于均勻，速度偏差大幅減低，同時(shí)也降低了能量損耗導(dǎo)致的系統(tǒng)流動(dòng)阻力，有效的減少了磨損的可能性。在Y=8.8m面上，速度分布偏差僅有5.55%，比未裝導(dǎo)流板前有了較大的提高。

從圖7可以看出，反應(yīng)器入口處的速度流場(chǎng)不均勻，從左到右流速逐漸增加，計(jì)算流速偏差系數(shù)為31.21%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足速度偏差系數(shù)CrW15%的要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化流場(chǎng)。3.4.3加裝整流格柵后煙道流場(chǎng)分布為了消除反應(yīng)器入口處流場(chǎng)的不均勻性，在入口處加裝整流格柵，可以有效的改善流體的流向，調(diào)整流速的分布。整流格柵是等間距相互平行的格板如圖7所示，經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)確定合適的格板間距為d=400mm，格板高度取h=600mm能夠得到較好的優(yōu)化效果，圖8為整流后的Y=12.5m反應(yīng)裝置入口處煙氣流速分布。從上圖可以看出，經(jīng)過整流格柵流場(chǎng)的左側(cè)的低速區(qū)域和右側(cè)的告訴區(qū)域顯著減小，Y=12.5m反應(yīng)裝置的截面上，速度偏差系數(shù)為Cr=8.75%，與未裝整流格柵相比，流速均勻性有了很大的改善，速度偏差很小，速度的方向也基本平行與Y軸，經(jīng)計(jì)算系統(tǒng)阻力增加了103.2Pa。SCR脫硝反應(yīng)物的混合模擬優(yōu)化SCR煙氣脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣和噴入還原劑NH3混合效果的均勻程度，直接影響催化劑層內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，從而決定了脫硝率高低和NH3逃逸量的大小。如果NH3/NOx混合不均勻，即使輸入NH3量增大，氨氣與氮氧化物也不能充分反應(yīng)，不僅難以得到脫硝較高的脫硝效率，同時(shí)也增加了氨氣的逃逸量，使脫硝系統(tǒng)未能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，在上一節(jié)反應(yīng)器入口煙道流場(chǎng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，只有合理的設(shè)置噴氨格柵(AIG)，使得煙氣的速度分布均勻和反應(yīng)物混合均勻，才能夠保證脫銷效率、氨氣的逃逸率及催化劑的壽命。合理的布置噴嘴格柵，并為反應(yīng)物提供足夠長(zhǎng)的混合煙道，是改善煙氣與氨均勻混合的有效措施［3。重大］。因此，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)中的AIG和噴嘴系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足下列兩方面的要求：一方面為氨氣噴嘴噴出的NH3在一定的長(zhǎng)度的煙道內(nèi)要與煙氣實(shí)現(xiàn)均勻混合；另一方面噴入的氨氣量和煙氣中的NOx配比量要合適，即合理噴入氨氣量得到合理的氨氮摩爾比分布。常用的AIG噴氨格柵主要分為三大型［96］渦流靜態(tài)混合式噴射格柵，該方式AIG上的噴嘴個(gè)數(shù)與靜態(tài)混合器上的片數(shù)

一致，一般來說噴嘴直徑都較大，數(shù)量只有幾個(gè)，在噴嘴初始階段的煙道混合特性很差，因此配備了靜態(tài)混合器才能夠使用。線性控制式的噴射隔柵，該方式沿著煙道兩個(gè)相互垂直的方向或其中一個(gè)方向布置若十個(gè)噴管，每根管子設(shè)置了若干噴嘴，可以對(duì)每個(gè)管子的流量進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)來匹配煙道個(gè)部位中的NOx的含量。分區(qū)控制式噴射隔柵，該方式通常會(huì)把煙道的截面分成20?30個(gè)大小相同的區(qū)域，在各個(gè)域內(nèi)布置若十個(gè)噴射孔，各個(gè)分區(qū)內(nèi)的氨氣流量單獨(dú)可調(diào)，以便匹配煙氣中NOx的分布。在上述的三種AIG技術(shù)類型中，第一種技術(shù)在還原劑氨噴入的初始階段，NH3與煙氣的混合效果最差，氨氮摩爾比的分布也最差，因此該技術(shù)須和靜態(tài)混合器配合使用；而后兩種技術(shù)在還原劑氨噴入的初始階段，NH3與煙氣混合相對(duì)較均勻，可以不配用靜態(tài)混合器。噴氨隔柵上的噴嘴通常為圓形，從管子上開孔或在管子上安裝噴嘴。具體的尺寸是依據(jù)安裝噴射隔柵的技術(shù)類型脫硝系統(tǒng)的具體的設(shè)計(jì)參數(shù)來決定。本文選取線性控制的噴氨格柵，噴射格柵由圓形噴管組成，噴管直徑為140mm，在每根噴管上加裝直徑為60mm的噴嘴，噴射方向與煙氣流向一致，根據(jù)設(shè)計(jì)脫硝效率大于85%，氨氣逃逸量小于5ppm，運(yùn)行中根據(jù)氨逃逸量可以實(shí)施調(diào)節(jié)氨氮摩爾比，此處模擬按照最大的氨氮摩爾比1.05。圖9,10為簡(jiǎn)化后的幾何模型和網(wǎng)格模型。3.5.1邊界條件的設(shè)定煙氣與氨氣混合的數(shù)值模擬分為了兩個(gè)速度入口邊界條件和一個(gè)壓力出口條件：SCR系統(tǒng)煙氣入口邊界條件inletl：BMCR工況下，T=647K；u=14.83m/s，v=0,w=0；煙道進(jìn)口水力直徑:D=5.73m，入口湍流強(qiáng)度：1=0.02554。噴氨格柵上的氨氣入口inlet2：BMCR工況下，T=293K；u=0m/s，v=13.18m/s(具體該顛倒下)，w=0；氨氣進(jìn)口水力直徑:D=0.06m，入口湍流強(qiáng)度:1=0.04196。壓力出口條件：Pout=0Pa；T=645K；煙氣出口水力直徑為:D3.77m，出口湍流強(qiáng)度：1=0.0263。

3.5.2噴氨格柵的模擬及結(jié)果分析方案1：噴嘴速度一致的單層噴管布置方式文獻(xiàn)［］研究已經(jīng)表明，同等噴嘴數(shù)量的前提下，采用單層噴射方式時(shí)優(yōu)于雙層布置的混合效果。此方案采用噴射格柵已設(shè)計(jì)好的的單層噴管布置方式，噴管軸向平行與y軸，噴管共有8根，且每根噴管上設(shè)置噴嘴8個(gè)，則噴嘴總數(shù)為64個(gè)；噴嘴的噴氨氣流速度全部計(jì)算設(shè)定V=14.53m/s。由數(shù)值模擬計(jì)算可以得到，出口截面處NH3的摩爾濃度分布圖4-3?。?14出丑為叫暨- ?。?14出丑為叫.*f —Y-、i'、二"岫皿.老H i?.'■■I.4:痕4況HI.ZJ5.i?.'■■I.4:痕4況HI.ZJ5.2陟413陟413末調(diào),花故=圈r藏揪皿單位/kfr-.il1i（加裝一個(gè)反應(yīng)截面圖）從模擬結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)噴嘴以統(tǒng)一速度噴出時(shí)，出口處氨氣的摩爾分布相當(dāng)不均勻，圖1明顯可以看出在靠近煙道壁面出的氨氣濃度明顯高于中間部分，且偏差很大，中間濃度分布相對(duì)較均勻；圖2表明，催化劑入口截面氨氣濃度分布的不均勻性，提取本截面上數(shù)據(jù)計(jì)算，得到濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為11.57%。產(chǎn)生上述原因主要是由于靠近煙道壁面處煙氣受到的擾動(dòng)較小，因此氨氣的濃度偏高。氨氣濃度的分布不均勻也就是煙氣與還原劑沒有得到充分的混合，將SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率。因此，必須對(duì)噴射格柵噴嘴的速度進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，用以改善氨氣的濃度分布，來提高脫硝效率。（基于數(shù)值模擬的E煙氣脫硝技術(shù)）方案2噴嘴速度不同的單層噴管布置方式根據(jù)方案1可知，當(dāng)各個(gè)噴嘴噴氨速度相同時(shí)，煙道中氨濃度分布不均勻，對(duì)此此方案對(duì)噴嘴進(jìn)行簡(jiǎn)單分為兩個(gè)區(qū)，靠近煙道壁面處I區(qū)，中間的區(qū)域?yàn)镮I區(qū)；根據(jù)方案1分析結(jié)果，來提高I區(qū)的噴射速度，降低II區(qū)的噴氨速度。經(jīng)過多次模擬求解對(duì)噴氨速度的調(diào)整，最后選取I區(qū)的噴氨速度為15.s/m，II區(qū)的噴氨速度為13.5m/s

從以上氨氣濃度分布圖可以看出，與未作噴氨速度調(diào)節(jié)的AIG相比，經(jīng)調(diào)節(jié)后氨氣進(jìn)入催化劑入口處的濃度得到了很好的改善，濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.56%，滿足了實(shí)際工程應(yīng)用中反應(yīng)器入口氨氣濃度分布要求。SCR脫硝裝置變工況下模擬分析當(dāng)前，由于電力生產(chǎn)與電力消費(fèi)的負(fù)荷從在一定的差異，同時(shí)為保證電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，火力發(fā)電機(jī)組要隨時(shí)接受電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度來改變機(jī)組負(fù)荷滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。機(jī)組通過協(xié)調(diào)控制鍋爐與汽機(jī)之間的能量平衡，因此鍋爐蒸汽量的變化，必然影響消耗的燃料量、產(chǎn)生的煙氣量變化。經(jīng)過SCR脫硝系統(tǒng)的煙氣量會(huì)隨著鍋爐負(fù)荷的波動(dòng)而變化，同時(shí)煤種的變化，理論空氣量也會(huì)發(fā)生改變，煙氣中氮氧化物含量發(fā)生變化。本節(jié)所分析的變工況模擬，即對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器在入口煙氣參數(shù)變化情況下的對(duì)煙道內(nèi)流場(chǎng)的變化和氨氣濃度均勻性的模擬分析，分別對(duì)75%THA、40%THA工況下入口煙道、SCR反應(yīng)器流場(chǎng)的均勻性進(jìn)行了分析。3.6.1機(jī)組變工況下的參數(shù)靠丁1不同負(fù)措SCR慕統(tǒng)入;J煙氣香敏［設(shè)計(jì)聊1祝T1IA75%TJIA4：|%THA爐脛LI；1沮苛空氣家馥1.2*:#頃41300543243503煙氣湄度rJ593321_298甥氣流速1埒10.176?2S聶7-2StF系姓瓦口蜩氣蛆分|性朝組分）盼匚cavoi%HQVgO2VO|%SO；Vol%no、vor%THAI4.J87.70J290.06w75%TMAI3,?O5.W4.520.0524fl%THAEH56.740.045。一齡根據(jù)上述表格計(jì)算可得在75%THA、40%THA工況時(shí)SCR系統(tǒng)入口煙氣的密度分別為：3.6.1煙道流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

E7-ISCR系毓五口＜8適E7-ISCR系毓五口＜8適AIG上規(guī)胡.Sh裁面速度貴布昭!■m/s}上圖可以看出，從三種工況的對(duì)比情況來看，隨著負(fù)荷的降低，入口煙道出口截面和SCR反應(yīng)器催化劑入口截面平均速度均有所降低，但在AIG上游和催化劑入口處兩截面的速度分布偏差系數(shù)均變化都不大，分別見表三所示，表中可以看出盡管負(fù)荷出現(xiàn)了較大的改變，但仍然能夠滿足設(shè)計(jì)要求。表LXRCR第綻斐工況流場(chǎng)羞的指位埴計(jì)TilA75H71IA40%TMASCR炯道Y-8.8m平均理貝m/sEl]0J5心速度偏蒞汞fit%5.77J.765J3第一2椎化神前V：/.5m平均速度W/S-4.24■3.31，小我速職偏弟系數(shù)%6-216-.206J7SCR系線l;nnP#11&.35270.0*W7.8S3.6.2煙氣與NH3混合模擬結(jié)果分析4cr?niAliS

4cr?niAliS表7-9SCI?系統(tǒng)入口煙道出二截面(X=Wr2ni)NH,質(zhì)諾組分分布統(tǒng)計(jì)vwoTRL平均質(zhì)量組分kg/kg0.CU143000143速度偏去系數(shù)%2.85Z82SCR Pa0.7&76R6由上圖和上表說明隨著負(fù)荷的降低，SCR反應(yīng)器催化劑入口截面的氨氣的濃度均勻性變化不大，依舊能夠很好的滿足設(shè)計(jì)要求。3.7本章小結(jié)本章建立了模擬計(jì)算煙氣脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)和反應(yīng)器中NH:與煙氣混合效果的方法，確定了脫硝反應(yīng)器網(wǎng)格的劃分及流場(chǎng)數(shù)值模擬的設(shè)置方法，說明了流場(chǎng)均勻性和NH3與煙氣混合效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)及控制標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格劃分應(yīng)盡量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元，同時(shí)對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器模型中結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、流場(chǎng)變化大的位置需適當(dāng)加大網(wǎng)格密度，以獲取更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)的模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k一:模型，對(duì)反應(yīng)器中NH:與煙氣的混合效果模擬采用物質(zhì)輸運(yùn)模型，而對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)處理則采用多孔介質(zhì)模型。并對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí)的有關(guān)設(shè)置進(jìn)行了說明。流場(chǎng)均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)采用速度分