孙静楠，王冠宇，秦一鸣，韩同江

(华电青岛环保技术有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

大气中的NOx是导致产生酸雨、雾霾和光化学烟雾等环境问题的一个主要原因。人为排放NOx主要来源包括固定污染源和移动污染源，固定污染源一般为火力发电厂、化工厂等，移动污染源主要为采用燃油发动机的交通工具。2015年我国燃煤电厂NOx排放量已达到1 310万t，对燃煤电厂进行烟气脱硝刻不容缓[1]。选择性催化还原(SCR)脱硝技术具有结构简单、脱硝效率高、技术成熟、运行可靠等优点，是目前国际上应用最广泛的烟气脱硝技术。

随着计算机软、硬件技术的发展和数值计算方法的成熟，流场模拟技术借助Ansys Fluent等商用计算流体力学(CFD)软件，在众多领域有着广泛应用。SCR脱硝系统受现场条件等因素限制，一般存在多处变截面及转向区，如果不进行干涉，不仅会造成系统流速分布不均，导致相同截面不同区域催化剂所处理的烟气量偏离设计值，进而产生脱硝效率降低、局部区域氨逃逸超标的现象；还会因烟气入射角过大而加剧催化剂的磨损和冲蚀，也可能造成局部区域严重积灰，系统阻力升高。因此，需要通过流场模拟来确定烟道与SCR反应器的外形结构，并对烟道内导流板、整流格栅、氨喷射与混合系统等部件进行设计优化，才能为系统内脱硝反应的进行提供良好的入口烟气条件。流场模拟得到的速度场、温度场、浓度场及压力场等计算结果可为整个脱硝系统的设计及优化提供参考。

本文选取代表性的工程实例，展示流场模拟技术在火力发电厂SCR脱硝系统中的应用情况。

1 原理

对脱硝系统进行流场数值模拟，可以看成求解流体的基本控制方程——质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，从而得到流体的基本物理量(如速度、压力、温度以及质量浓度等)在空间各个位置上的分布，以及这些量随时间的变化情况。

SCR脱硝系统中，数学模型的选取对计算结果起着至关重要的作用。在初始条件下(烟气条件、反应器结构尺寸等)，采用湍流模型(SCR脱硝反应器内为气相湍流)、物质输运模型(由于SCR反应中的流动介质有烟气和喷入的氨气，涉及流动中物质的混合情况，需采用混合物的物质输运模型来模拟这一情况)以及多孔介质模型(对于SCR反应器内的催化剂层压降，将催化剂层看作多孔介质进行模拟)，来求解质量守恒、动量守恒、能量守恒的方程组，求得的连续解就是速度、压力、温度、质量浓度在系统空间内各个位置上的值。

2 某600 MW火电机组SCR脱硝系统流场模拟

2.1 数学模型的建立

在流场模拟过程中，数学模型的选取有着至关重要的作用，大型火电厂SCR烟气脱硝过程十分复杂，涉及烟气、飞灰颗粒及还原剂的气相湍流流动、气固两相流动、传热传质及流动混合等过程[2]。根据SCR系统实际运行环境，在满足工程要求的条件下，对SCR系统内的烟气状况进行假设和简化：(1)将烟气视为不可压缩的流体；(2)假设SCR系统烟气来流速度分布均匀；(3)催化剂床层压降采用多孔介质；(4)不考虑烟气中灰分的影响。脱硝系统的流场模拟一般简化为稳态模拟，即速度、质量浓度、温度以及压力等物理量不随时间的变化而变化。

基于以上假设及简化，SCR系统烟气流场的控制方程可以表示为

ø)=div(Γgradø)+S，

根据SCR系统内烟气流动时湍流的情况，采用标准k-ε湍流模型来模拟其内部的烟气湍流运动。

由于脱硝系统中流动的介质有锅炉燃烧产生的烟气和注入的氨气，因此，需要采用Species物质输运模型，通过求解每种组成物质对流、扩散以及反应源的守恒方程来模拟氨气在烟气中的混合与扩散。

在流场模拟过程中，如果按照实际情况绘制蜂窝式、板式等形式的催化剂床层，网格划分时将生成多达几千万的网格体，因此，催化剂床层使用多孔介质模型来进行模拟，以获得其阻力值。

压力损失模拟公式如下

式中：Si为i向动量源项，Pa/m；μ为流动动力黏度，Pa·s；α为介质渗透性；vi为i向速度分量，m/s；ρ为密度，kg/m3；C2为内部阻力因子，1/m。

2.2 网格的划分及边界条件的确定

在SCR系统中，流场模拟的研究对象一般起始于省煤器出口，结束于空气预热器入口，包含进出口烟道、氨喷射/混合装置、烟道内导流板、脱硝反应器本体及其他内部件等，几何模型建立过程中可根据计算需要对其进行适当简化。建模完成后进行网格划分，采用数值计算方法来求解偏微分方程时，首先要对所建立的模型进行网格划分将方程离散化。网格体是进行流场模拟和计算分析的载体，通过有限的网格体来表达实际空间的连续实体，划分后网格体的质量和数量对CFD流场模拟计算的精度和规模都将产生直接影响。

在所建立的几何模型上采用特定的网格类型、网格单元和网格密度对模型中的面或体进行划分。在喷氨格栅等尺度较小的空间区域进行网格加密，以保证网格离散化后能准确地表达几何体，本案例中SCR模型进行网格划分后网格体总数约为780万。最后指定边界区域，为模型的每个区域指定名称和类型，为后续指定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。

边界条件是指在求解区域上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律，只有给定了合理的边界条件才能计算出流场的解。本案例的边界条件依据机组的运行参数设定。系统烟气入口边界条件为速度入口，氨气入口边界条件为质量入口，系统出口边界条件为压力出口，模型壁面采用标准壁面函数。

2.3 根据模拟结果进行判定[3]

网格文件导入Ansys Fluent计算程序后，按照工程实际情况设置系统中速度、压力、温度、烟气组分等并进行求解，迭代计算完成后运用后处理技术对计算结果进行数据研究及可视化分析。

(1)截取第1层催化剂上方0.5 m处平面做速度云图，如图1所示。经计算，该截面速度分布的均匀性偏差小于15%，满足技术要求。

图1 第1层催化剂上方0.5 m平面速度云图

(2)截取第1层催化剂上方0.5m处平面做氨质量浓度云图，如图2所示。经计算，该截面氨质量浓度偏差小于5%，满足技术要求。

图2 第1层催化剂上方0.5 m平面氨质量浓度云图

(3)从图3所示的第1层催化剂入口烟气温度分布图可见，截面内温度分布均匀，提取数据，确认温度分布绝对偏差小于10 ℃，满足技术要求。

(4)由图4所示的系统流线分布图可见，流线分布均匀，无涡流现象，第1层催化剂上方烟气来流与竖直方向夹角小于10°，满足技术要求。

图3 第1层催化剂入口烟气温度分布云图

图4 系统流线图

3 结束语

CFD 流场模拟技术应用于SCR脱硝工程设计、优化以及改造，展现了较强的优势，可以清晰地反映设计方案与流场的相互关系。采用此项技术研究系统内烟气流场变化具有成本低、周期短等优点，具有较强的可操作性。应用Ansys Fluent进行火电厂SCR脱硝系统流场模拟工作，具有良好的预见性和实际效果，是电力行业节能减排的有力保障。在引进、消化吸收国外技术的基础上，加强开展CFD流场模拟技术在SCR脱硝系统中的应用研究，掌握核心技术，对我国加速脱硝技术国产化并最终获取自主知识产权具有重要的意义。

[1]火电厂大气污染物排放标准：GB 13223—2011[S].

[2]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]燃煤烟气脱硝技术装备：GB/T 21509—2008[S].