在选择性催化还原技术(SCR)脱硝系统设计阶段,计算流体力学(CFD)是十分重要的工具。使用CFD软件模拟SCR系统内烟气与还原剂的分布,能够通过流场的计算结果不断优化脱硝系统。本文列举及总结了目前在导流板、整流格栅及喷氨格栅等结构上的模拟优化情况,为SCR系统流场模拟优化工作提供一些思路。 In the design stage of the selective catalytic reduction (SCR) denitration system, computational fluid dynamics (CFD) is a very significant tool. The use of CFD software to simulate the distribution of flue gas and reduction agent in the SCR system can continuously optimize the denitration system through the calculation results of the flow field. This paper enumerated and summarized the current simulation and optimization of structures such as deflectors, ammonia injection grids and rectifier grids, in order to provide some ideas for the simulation and optimization of the flow field of SCR systems.
刘婷婷
上海电气电站环保工程有限公司,上海
收稿日期:2020年6月3日;录用日期:2020年6月25日;发布日期:2020年7月2日
在选择性催化还原技术(SCR)脱硝系统设计阶段,计算流体力学(CFD)是十分重要的工具。使用CFD软件模拟SCR系统内烟气与还原剂的分布,能够通过流场的计算结果不断优化脱硝系统。本文列举及总结了目前在导流板、整流格栅及喷氨格栅等结构上的模拟优化情况,为SCR系统流场模拟优化工作提供一些思路。
关键词 :SCR,CFD,模拟优化
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煤炭在我国能源需求和消耗中占据重要位置,而燃煤所产生的氮氧化物是污染大气的主要有害物质之一 [
目前CFD软件在脱硝系统优化中很受欢迎,该软件通过建模、迭代计算及分析结果,可以达到优化设计研究的目的,具有可操作性强,低成本,可缩短产品周期及计算结果直观的优点,是脱硝系统流场优化的重要工具。
本文以煤粉炉为例,从SCR系统流场优化角度,列举了目前SCR系统数值模拟优化的进展。
选择性催化还原(SCR)技术是在烟气中加入氨和尿素等还原剂,在320℃~420℃的温度窗口,还原剂与烟气中的NOx在催化剂表面发生反应,生产氮气和水。该反应是氧化反应和还原反应相互竞争和作用的结果,反应示意图如图1所示。
图1. SCR反应示意图
主要反应如下:
4 NH 3 + 4 NO + O 2 = 4 N 2 + 6 H 2 O
4 NH 3 + 2 NO 2 + 2 O 2 = 3 N 2 + 6 H 2 O
4 NH 3 + 6 NO = 5 N 2 + 6 H 2 O
8 NH 3 + 6 NO 2 = 7 N 2 + 12 H 2 O
SCR反应受温度、氨氮浓度等因素影响,浓度低或者混合不充分都会影响脱硝效果及运行的经济性,因此对SCR系统进行流场模拟就显得十分重要。流场模拟主要分为确定求解方程、前处理(建模及绘制网格)、Fluent参数设置,求解及后处理几个部分。
根据SCR运行特点,在建模时可进行如下假设和简化:
1) 将烟气视为不可压缩流体;2) 假设进口烟气速度分布均匀;3) 催化剂层及整流装置等多孔结构采用多孔介质模型进行计算。基于以上假设及简化,SCR系统烟气流场的连续性方程、动量方程、能量方程及组分守恒方程的通用形式可表示如下 [
∂ ∂ t ( ρ ∅ ) + d i v ( ρ u ∅ ) = d i v ( Γ g r a d ∅ ) + S (1)
式中:S为广义源项; Γ 为广义扩散系数; ∅ 为通用的因变量; ρ 为流体密度; t 为时间; u 为速度。
Fluent多孔介质模型就是在定义为多孔介质的区域结合了一个根据经验假设为主的流动阻力。本质上是在动量方程上叠加了一个动力源项,源项由两部分组成:粘性损失项和内部损失项。且在主流方向和非主流方向相差不超过1000倍。
S i = μ α v i + C 2 ⋅ 1 2 ρ | v i | v i (2)
式中: μ 为流体粘度; v i 为i方向( X , Y 或 Z )的速度分量; S i 为i方向( X , Y 或 Z )动量源项; C 2 为内部阻力因子, α 为介质渗透性。
湍流模型采用 k − ε 模型,其连续性方程为 [
∂ ρ ∂ t + ∂ ∂ x i ( ρ u i ) = 0 , i = 1 , 2 , 3 (3)
式中: ρ 为流体密度; t 为时间; x i 为位移矢量; u i 为i组分的速度矢量物质输运模型。
绝大多数SCR流场模拟时,采用无反应的混合组分,通过第i种物质对流扩散方程预估其质量分数 X i [
∂ t ( ρ X i ) + ∇ ( ρ u X i ) = − ∇ J i + R i + S i , (4)
式中: J i 为物质i的扩散通量,由浓度梯度产生; R i 为化学反应净产生速率; S i 为离散相和定义的源相导致的额外产生速率。此处 R i 和 S i 均取0。无反应的混合组分,只需考虑i种物质的湍流扩散通量 J i [
J i = − ( ρ D i . m + μ t S c t ) ∇ X i
式中: D i . m 是混合物中第i种物质的扩散系数。
S c t 是湍流施密特数, S c t = μ t ρ D t 。
μ t 是流体粘性系数, D t 是扩散系数。
流场模拟前处理软件可选择Gambit,Workbench,Icem等。建模时根据设备结构特点对内部装置进行合理简化,可大大提高计算效率,例如喷氨喷嘴可简化为喷口,忽略对流场影响较小的装置(构架、梁等)。
在弯头或者结构较复杂处建议采用非结构性网格。为同时兼顾计算的准确性及高效性,网格数量可通过网格无关性认证来确定。
在Fluent设置中,进出口烟道一般设置为速度入口及压力出口,烟气与氨气的混合选择多组分输运模型,催化剂、整流格栅等多孔结构可采用多孔介质设置,孔隙度根据结构参数确定。模拟时,不考虑氨和NOx的化学反应,只考虑二者的混合。
通过数值模拟优化SCR系统的内部装置,例如导流板,喷氨格栅及整流格栅等,可改善SCR脱硝系统内烟气流场,从而提高脱硝效率。
陈东林等人 [
王汉青等人 [
大部分学者进行流场模拟时都选择忽略了脱硝系统中的灰尘,为使模拟结果更有现实指导意义,朱天宇等 [
于玉真等 [
吴学智等 [
张巍等 [
1) 导流板的安装位置,数量及结构对导流效果存在影响,且距离反应器最近处的导流板尺寸对导流效果影响最大。安装位置一般位于烟道转角处,安装数量可参考相近功率机组的脱硝系统,结构上采用弧形导流板配合竖直直板效果更好。对导流板进行模拟优化发现该装置不仅能够改善流场分布,提高脱硝效率,而且合适的导流优化措施会减小系统压降。
2) 不均匀喷氨技术的应用进一步增强了还原剂与NOx的反应,提高了脱硝效率,降低了氨逃逸率。
3) 对导流板、喷氨格栅及整流格栅的进行优化时,要考虑到各结构之间的耦合优化。在安装导流板的基础上,同时在反应器入口配以整流格栅,整流格栅间距、高度和结构的优化及整流格栅与催化剂安装高度的耦合都会使流场更加均匀。
刘婷婷. SCR流场优化的模拟研究综述Review of SCR Flow Field Optimization Simulation[J]. 动力系统与控制, 2020, 09(03): 161-166. https://doi.org/10.12677/DSC.2020.93015