选择性催化还原脱硝装置的气固两相流场与喷氨优化方法

摘要

本发明是一种选择性催化还原脱硝装置的气固两相流场与喷氨优化方法，该方法采用非均匀入口边界条件，借助Fluent软件模拟选择性催化还原(SCR)脱硝装置的气固两相流动过程，得到SCR脱硝装置内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，运用后处理软件处理数值计算结果，分析SCR脱硝装置存在的流场均匀性问题，通过采用改变连接烟道内导流板的形状与布置方式、反应器顶棚处整流构件的形状与位置、整流格栅叶片间距与高度、SCR反应器结构等措施，优化SCR脱硝装置的气固两相流场，根据连接烟道内喷氨处的烟气速度分布和浓度分布，计算获得该区域的NOx通量分布，依据最佳氨氮比控制与该区域NOx通量分布相匹配的喷氨量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于电站锅炉选择性催化还原SCR脱硝装置设计和优化 的方法，属于燃煤锅炉大气污染物控制技术领域。

背景技术

以氨为还原剂的选择性催化还原(SCR)技术是目前脱除烟气中NOx最有 效的技术，在国内外得到了普遍的工程运用。对于SCR脱硝装置而言其核心是 催化剂，在催化剂的作用下烟气中的NOx与还原剂的NH₃快速反应生成N₂和 H₂O。为完全发挥催化剂的催化效果，需要保证系统的流场分布非常均匀(包括 速度分布、氨氮分布、温度分布等)。另外为了保证SCR脱硝装置能够长期有效 的运行，烟道内不能积灰，积灰严重会造成催化剂堵塞，增大设备压损，减少设 备使用寿命，降低脱硝效率。因此，在工程实践中，技术人员通常会借助数值模 拟方法对SCR脱硝装置进行优化设计。

但是，当前主流的SCR脱硝装置设计优化方法都是以均匀入流边界条件(比 如入口烟气流速均一、NOx浓度均匀分布)或不完全的非均匀入流边界条件(即 虽然注意到入口烟气的非均匀性却忽略了入口飞灰的非均匀性分布)代替实际工 程中复杂的非均匀入流边界条件来进行SCR脱硝装置的优化设计，导致设计优 化结果与工程实际偏差较大。其次，仅仅基于气相流动特性来设计优化SCR脱 硝装置，而忽视了固相飞灰颗粒的运动特性，在评价优化效果时也未考虑固相均 匀性指标，以至于不能有效揭示并解决工程实践中出现的固相颗粒磨损和堵塞催 化剂，从而影响脱硝效率的问题。此外，传统的SCR脱硝装置优化方法在控制 喷氨量时，各个喷射点都是以均一条件喷射NH₃，没有考虑锅炉负荷变动和非均 匀烟气入流条件等多种工程客观因素导致的各个喷射点所对应区域的NOx分布 不均匀问题，从而造成各喷射区域内喷氨量与烟道内NOx量不匹配，出现局部 区域氨氮比异常，导致SCR脱硝效率低及氨逃逸率高等问题。

综上所述，现有的SCR脱硝装置优化设计方法还存在不少不足之处，比如 采用均匀入流条件代替非均匀入流条件，仅仅基于气相流动特性来设计优化SCR 流场，采用均一的喷氨方法，以此为依据得到的流场优化结果势必会与工程实际 存在较大偏差，不能很好地满足工程需要。因此，本发明在总结现有优化方法优 缺点的基础上，提出了一种基于非均匀入口条件的SCR脱硝装置气固两相流场 与喷氨控制优化方法，该方法能更加准确地对SCR脱硝装置进行优化设计，改 善反应器内催化剂的积灰状况，从而提高SCR脱硝装置的脱硝效率、降低SCR 脱硝装置的氨逃逸率。

发明内容

发明目的：本发明针对以上技术问题，提供了一种选择性催化还原脱硝装置 的气固两相流场与喷氨控制优化方法，用于解决现有SCR脱硝装置设计优化方 法由于使用以均匀入流入口条件、流场均匀性优化未考虑固相颗粒流动特性的影 响，各喷氨点均一喷氨等不符合工程实际的条件参数而产生的SCR脱硝装置在 氨逃逸率达标前提下脱硝效率较低、在脱硝效率达标前提下氨逃逸率较高、催化 剂磨损积灰严重等问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种选择性催化还原脱硝装置的 气固两相流场与喷氨优化方法，选择性催化还原SCR脱硝装置采用非均匀入口 边界条件，借助Fluent软件模拟SCR脱硝装置气固两相流动过程，得到SCR脱 硝装置内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，运用Fluent后处理软件处理数值 计算结果，分析SCR脱硝装置存在的流场均匀性问题，通过采用改变连接烟道 内导流板的形状与布置方式、反应器顶棚处整流构件的形状与位置、整流格栅叶 片间距与高度、SCR反应器结构措施，优化SCR脱硝装置的气固两相流场和喷 氨控制方法，

所述的方法步骤为：

1)根据实际运行SCR脱硝装置的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含连 接烟道和SCR反应器的三维物理模型；

2)通过实验、数值模拟和现场测试等手段得到SCR脱硝装置入口处的非均 匀性条件，并将该条件作为计算模型的入口边界条件，该非均匀入口条件不仅包 括入口截面上烟气的速度分布、温度分布、成分浓度分布，还包括飞灰颗粒的浓 度分布、粒径分布；

3)采用Fluent软件模拟SCR脱硝装置气固两相流动过程，得到SCR脱硝装 置内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，分析当前SCR脱硝装置气固两相流 场不均匀性；

4)根据步骤3)的分析结果，改变连接烟道内导流板的形状与布置方式、反 应器顶棚处整流构件的形状与位置、整流格栅叶片间距与高度、SCR反应器结 构，优化SCR脱硝装置的气固两相流场，流场优化结果的评价指标不仅包括烟 气速度相对标准偏差≤15％、烟气入射角≤±10°、温度分布最大绝对偏差≤± 10℃、氨氮比相对标准偏差≤5％，还包括固相颗粒的均匀性分布；

5)根据步骤3)的气相流动特性，得到连接烟道内喷氨处气相的速度分布和 NOx的浓度分布，根据连接烟道内喷氨处的气相速度分布和浓度分布，计算获 得该区域的NOx通量分布，从而依据最佳氨氮比控制与该区域NOx通量分布相 匹配的喷氨量。

有益效果：与现有的SCR脱硝装置方法相比较，本发明具有如下的特色及优 点：

1、现有SCR脱硝装置流场模拟优化方法，都是以均匀入流或仅考虑烟气非 均匀性忽视飞灰颗粒非均匀性的入流条件作为模拟边界条件，而本发明采用既考 虑烟气非均匀性又考虑飞灰颗粒非均匀性的全面非均匀入流条件作为模拟边界 条件，这样的处理方式更符合工程实际情况，得到的结论也能更好指导实践。

2、传统的流场优化方法仅仅基于气相流动特性来设计优化SCR脱硝装置， 而忽视了固相飞灰颗粒的运动特性，而本发明的流场优化方法不仅考虑气相均匀 性，还考虑固相颗粒均匀性，这种方法能更有效地指导SCR脱硝装置内连接烟 道内导流板的形状与布置方式、反应器顶棚处整流构件的形状与位置、SCR反 应器结构的优化调整，从而减轻催化剂积灰，延长催化剂使用寿命，提高脱硝效 率。

3、现有的喷氨方法由于没有考虑各喷射点所对应区域的NOx通量分布不均 匀问题，因此从各喷射点喷出的氨气量是均一的，而本发明的喷氨方法依据连接 烟道内喷氨处的烟气速度分布和NOx浓度分布，计算得到各喷氨区域的NOx通 量分布，从而根据最佳氨氮比控制与之匹配的喷氨量，这就大大改善了传统方法 在不同负荷下喷氨量与烟道内NOx通量的匹配性问题，从而显著提高脱硝效率， 降低氨逃逸率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明技术实施案例的SCR脱硝装置结构示意图，其中包括SCR脱 硝装置入口1、导流板2、混合器3、喷氨管4、连接烟道5、整流构件6、反应 器顶棚7、整流格栅8、催化剂9、SCR反应器10、预留催化剂层11、SCR脱硝 装置出口12。

具体实施方式

本发明提供了一种基于非均匀入口条件的SCR脱硝装置气固两相流场与喷 氨控制优化方法，所述的方法步骤为：

(1)根据实际运行SCR脱硝装置的结构和尺寸，采用Gambit软件建立包含 连接烟道和SCR反应器的三维物理模型；

(2)通过实验、数值模拟或现场测试等手段得到SCR脱硝装置入口处的非 均匀性条件(包括入口截面上烟气的速度分布、温度分布、成分浓度分布和飞灰 颗粒的浓度分布、粒径分布等)，并将该条件作为计算模型的入口边界条件；

(3)采用Fluent软件模拟SCR脱硝装置气固两相流动过程，得到SCR脱硝 装置内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，分析当前SCR脱硝装置流场不均 匀性，包括气相不均匀性和固相颗粒不均匀性。

(4)根据步骤(3)的分析结果，改变连接烟道内导流板的形状与布置方式、 反应器顶棚处整流构件的形状与位置、SCR反应器本体结构，优化SCR脱硝装 置的气固两相流场，使烟气和飞灰颗粒均匀进入催化剂。

(5)根据连接烟道内喷氨处的烟气速度分布和浓度分布，计算获得该区域的 NOx通量分布，依据最佳氨氮比控制与之匹配的喷氨量，保证氨氮比均匀分布， 提高脱硝效率，降低氨逃逸率。

以下将参照附图，对本发明的实施案例进行详细的描述。本实施案例在以本 技术方法为前提下进行实施，应当理解实施案例是为了说明本发明，但本发明的 保护范围不仅限于下述的实施案例。

本实施案例针对某电厂660MW旋流对冲燃煤锅炉进行基于非均匀入口条件 的SCR脱硝装置气固两相流场与喷氨控制优化方法的试验，具体实施步骤如下：

(1)根据实际运行设备简化结构建立包含锅炉炉膛，过热器、再热器、省煤 器烟道的三维物理模型，分析给定的条件参数(风率比、煤粉细度、煤质分析等) 计算物理模型的边界条件为模拟计算做准备；

(2)采用Fluent软件计算100％负荷下煤粉在炉内的燃烧过程、烟气在炉膛、 尾部烟道的流动过程，获得烟气组分(NOx、O2和未燃尽碳)的温度场、速度 场和浓度场分布；

(3)取得该厂燃煤锅炉尾部除尘器处的飞灰样品，进行飞灰粒径分析，采用 Fluent软件计算该取样飞灰在炉膛、尾部烟道和SCR脱硝装置的气固两相流动 过程，获得SCR连接烟道前飞灰在烟道截面上的粒径分布；

(4)根据步骤(2)中未燃尽碳在烟道截面的浓度分布和步骤(3)中在SCR 连接烟道前飞灰烟道截面上的粒径分布，计算出不同粒径固相颗粒的浓度分布；

(5)建立如附图1所示的三维SCR脱硝装置物理模型，根据步骤(2)和 步骤(4)可得到SCR脱硝装置的非均匀入口条件(包括入口截面上烟气的速度 分布、温度分布、成分浓度分布和飞灰颗粒的浓度分布、粒径分布等)，将其作 为模型入口处1边界条件；

(6)采用Fluent软件模拟SCR脱硝装置气固两相流动过程，得到SCR脱硝 装置内烟气和飞灰颗粒的气固两相流动特性，分析当前SCR脱硝装置流场不均 匀性，包括气相不均匀性和固相颗粒不均匀性。

(7)根据步骤(6)的分析结果，通过改变连接烟道内导流板2的形状与布 置方式、反应器顶棚7处整流构件6的形状与位置、SCR反应器10结构，优化 SCR脱硝装置的气固两相流场，使烟气和飞灰颗粒均匀进入催化剂9。

(8)根据连接烟道5内喷氨处的烟气速度分布和浓度分布，计算获得该区域 的NOx通量分布，依据最佳氨氮比控制与之匹配的喷氨量，保证氨氮比均匀分 布，提高脱硝效率，降低氨逃逸率。