数值计算在SCR脱硝工程中的应用
摘要：数值计算（CFD）是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物。数值计算对SCR脱硝工程设计具有重要的指导意义，通过建立模型并进行仿真，分析系统内流场、温度场和颗粒场，调节系统内导流板使其满足工程设计，保证脱硝系统稳定达标运行。
关键词： 脱硝 催化剂层 流场 多孔介质
1 概述
数值计算（CFD）是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，解决各种实际问题。
选择性催化还原法烟气脱硝技术（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在一定温度和催化剂的作用下，“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。还原剂可以是碳氢化物（如甲烷、丙烯）、NH3、尿素等。
数值计算技术是根据国内某电厂SCR脱硝初步设计文件，建立几何模型和数学模型，仿真分析装置内的烟气和飞灰颗粒物的运动行为，对装置进行设计指导，保证烟气的分布均匀性等，进而提高脱硝系统的脱除效率和运行稳定性。
2 数值计算及结果分析
2.1数学模型
在数值模拟试验过程中，数学模型的选取对计算结果起着至关重要的作用。大型电站锅炉中选择性催化还原（SCR）烟气脱硝过程是十分复杂的，它涉及到烟气、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。
2.1.1 气相湍流模型
式中—气相速度，m/s;—颗粒速度，m/s;—流体动力粘度，Pa·s;—气体密度，kg/m3;—颗粒密度，kg/m3;—颗粒直径，m;—颗粒单位质量曳力;Fi—附加质量力。
2.1.4 其他
计算还采用了气体状态方程、组分输运方程等。
2.2网格划分及边界条件
网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。SCR装置利用前处理器三维建模，采用四面体和六面体网格的分区法对三维模型进行网格划分，对相关位置的网格加密。
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。烟气入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，模型壁面采用标准壁面函数。为防止壁面非线性发散，采用低松弛迭代的变松弛系数法。
2.3结果分析
1）系统及催化剂上游速度场特性分析
速度分布是脱硝系统设计控制指标之一，影响混氨、积灰等，图1、图2和图3为脱硝系统速度分布及流线图。从计算结果可以看出，在导流板的作用下，反应器内第一层催化剂前的速度分布是均匀的。结合流线图分析，系统内烟气流线是比较整体的，没有出现大的涡街区，在经过整流格栅后，烟气基本垂直进入催化剂层，可以避免烟尘的横向冲刷，有效降低烟尘对催化剂层的磨损，延长催化剂的使用寿命。其中，在满负荷条件下，偏差系数为12.6%，满足“不大于15%”的指标要求。
2）AIG上游0.5m截面速度场特性分析
优化方案AIG上游速度分布云图参见图4所示。计算结果显示， AIG上游截面速度分布较为均匀。其中，距离喷嘴口前0.5m截面速度标准偏差偏差系数12.1%，满足“不大于15%”的技术指标要求。
3）速度偏角特性
优化方案首层催化剂入口处烟气入射速度偏角分布图参见图5所示。优化方案首层催化剂烟气入射平均偏角为8°，满足“不大于±10°”的技术指标要求，可有效避免烟气携带的烟尘横向摩擦催化剂，造成催化剂磨损。
4）浓度分布特性
优化方案首层催化剂上游0.5m处NH3浓度分布情况参见图6所示。从图中可以看出，满负荷条件下首层催化剂上游0.5m截面NH3浓度分布较为均匀，截面浓度标准偏差为1.868×10-7kmol/m3，平均浓度为4.67×10-6kmol/m3，偏差系数为4.1%，满足“不大于5%”的技术指标要求。
3总结及建议
通过数值计算对工程方案进行分析，在烟道内增设导流板、调整导流板角度，提高整流格栅的整流能力，使各项设计指标得到很大改善，均达到了规范设计要求。数值计算在SCR脱硝设计中具有重要的指导意义。
参考文献：
（1）王福军.CFD软件原理与应用.北京：清华大学，2004
（2）陶文铨.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京：科学出版社，2000
（3）郭婷婷，劉汉强，杨勇平.基于数值模拟的1000MW燃煤机组SCR脱硝系统设计.电站系统工程，2010，26（5）：61-64
