基于fluen的scr脱硝系统流场和浓度场数值模拟

基于fluen的scr脱硝系统流场和浓度场数值模拟

选择性延迟恢复技术（scr）是目前相对成熟的卷烟后处理技术。scr脱硝系统具有设备大、香烟配置限制大等特点。对气流速度、氨氮比、温度和飞灰的负荷分布提出了相当高的要求。我们必须深入研究气田分离系统，提高气和氨气的混合均匀性，指导中国独立开发气田分离系统。同时，它对促进天然气发电系统的节能减排具有重要意义。目前,SCR系统内部流动机理是研究热点问题。文献进行了SCR脱硝小型试验、中间试验、反应器混合与均流冷态实验、以及SCR脱硝数值模拟。基于SCR数学模型并采用概率分布描述反应物的不均匀性,提出了一种对反应物不均匀性对脱硝性能的影响的模拟分析方法。文献[3~4]以600MW电厂选择性催化还原反应器为研究对象,采用Fluent软件,进行反应器内流场的数值模拟,得出较合适的导流板形态及流场,研究结果对脱硝系统内导流装置和喷氨格栅的设计和改进提供参考。文献对SCR预分布器系统进行数值模拟,结果表明,导流板的位置对催化剂入口截面上的速度分布影响较大;喷氨格栅的结构与催化剂入口截面上的浓度场分布有密切的关系。本文以某1000MW燃煤机组SCR脱硝系统为原型进行数值模拟,针对双SCR反应器、氨喷射系统——涡流混合器等具体方案进行优化设计,获得BMCR工况下的流场和浓度场,并通过冷态模型试验验证数值模拟结果的可靠性。1几何模型及系统特点对于实际燃煤电厂的脱硝装置的设计,采取措施保证脱硝反应器中催化剂入口截面气体速度和反应物分布的均匀性是主要技术关键。本文根据设计要求确定计算方案,确定SCR反应器、导流叶栅、整流板、涡流混合器等主要流动部件的几何模型,提高第一层催化剂入口前气流均匀性,使氨气和氮氧化物充分混合,提高脱硝效率。模拟方案如表1所示。此模型的几何尺寸是按SCR系统的实际尺寸构造,SCR为双反应器结构,几何模型如图1所示。本工程氨喷射系统采用专利产品——涡流混合器,见图2。它具有烟气适应性强、混合效果好、喷射孔数量少、不需要维护等特点,稀释后的氨气通过管道喷射到驻涡区内,在涡流的强制作用下充分混合,达到催化剂入口混合度均匀的技术要求。本文经过计算和实验比较,采用5×Φ139mm的涡流混合器,涡流混合器圆盘与水平呈60°,甲烷喷管口距离圆盘中心140mm,5个涡流混合器圆心沿水平方向成一直线,距离垂直烟道外侧内壁130mm。2实际系统的假设大型电站锅炉中,选择性催化还原烟气脱硝过程是十分复杂的,它涉及到反应器结构的设计,烟气与还原剂在烟道和反应器里面的湍流流动,传热传质,多组分输运,化学反应等过程。由于条件所限,在建立模型之前需对实际过程作如下一些近似假设:实际系统进出口温差较小,系统绝热;实际系统漏风较小,因此不考虑系统的漏风;烟气中灰分对本文研究内容影响较小,因此不考虑灰分的影响;在反应器上游烟道中,烟气各组分不发生化学反应;流动是定常流动;流体物性参数为常数。2.1一般控制方程本文选取烟气为流动介质,设流动为不可压流动。方程的通用形式如下,文献给出了在三维直角坐标系下基本控制方程中各项的表达式。2.2流量平衡模型标准双方程模型:2.3多孔介质区的设置催化剂是SCR的核心。在本文中将模拟蜂窝形状的催化剂床层,如果在数值模拟中,如实地构造蜂窝形状的催化剂床,进行网格划分将达到上千万的网格体,这受到计算机条件的制约,因此,计算中把催化剂床建模为多孔介质区域。整流格栅处也设置为多孔介质。多孔介质模型阻力公式为:其中,ρ=1.293kg/m3,α为多孔介质渗透率,μ为黏性系数,C2为压力跳跃系数,△m为气流分布板厚度。2.4物质输运模拟由于SCR系统涉及多种气体成分混合,选用物质输运模型进行模拟。守恒方程采用以下通用形式,其中,Ri是化学反应的净产生速率,Si为离散相导致的额外产生速率。2.5网格划分及边界条件设置控制方程的离散采用控制容积法,压力-速度耦合采用SIMPLE算法,对流项差分格式采用二阶迎风格式。利用Gambit软件对反应器模型进行网格划分,网格采用非结构化四面体网格,在湍流变化复杂的区域进行局部加密。根据烟道入口尺寸计算得到在BMCR工况下,系统烟气入射速度为12m/s。烟气入口选择速度入口边界,湍流参数通过湍流强度和水利直径来定义。出口为自由出流边界,反应器壁面和导流板设置为壁面边界,近壁区采用加强的壁面函数法。整流格栅、催化剂床层采用多孔介质边界条件。涡流混合器5个氨气喷管设置为速度边界条件。3结论分析3.1烟气速度场及压力场图3给出了方案1、SCR反应器对称面(Z=0截面)的速度和压力结果。图4给出了左侧SCR反应器内部压力结果。从得到的速度场以及压力场分布图可以看出,烟气在经过弯道进入催化剂之前速度场、压力场变得很不均匀。在惯性力和离心力的作用下,烟气向SCR反应器外侧偏斜,经过弯道以后,在SCR反应器催化剂入口前,烟气速度变化较大,形成回流区,相对应的是催化剂入口截面压强梯度较大,此现象将直接影响氨气混合效果。因此,要改善整个烟道的速度场,需要设计合理的转弯烟道,并在各个弯道处安装导流装置。3.2烟道入口速度场为了改善SCR系统内部烟气流动的均匀性,在省煤器出口加装转弯烟道,对此方案2进行了数值模拟,烟道入口速度为12m/s,计算结果如图4~图5所示。从结果可以看出,加装转弯烟道后,上游垂直烟道内部的流场较为均匀,但烟气在经过弯道进入催化剂之前速度场、压力场不均匀。在SCR反应器催化剂入口截面,烟气速度分布不均匀,存在回流区,在此结果基础上设计了导流和整流装置。3.3催化剂入口断面速度不均匀性在方案2基础上进一步设计加装了导流叶片和整流格栅,计算结果如图6~图7所示。从图中可以看出,加装导流板和整流格栅可以改善烟道内的速度场,烟气在SCR系统内部流动均匀,流体流经弯道时的分离现象消失,二次流消失,催化剂入口断面速度分布均匀。如图7所示,催化剂入口处速度分布在4~6m/s之间,速度值处于4~5m/s之间的为96.1%,实现了反应器内第一层催化剂入口断面烟气速度不均匀性小于15%的目标。此SCR脱硝系统的流场已获得令人满意的效果。3.4催化剂的流场分布在获得最佳流场的SCR系统前提下,优化涡流混合器的圆盘直径和布置位置、角度,以及调整5个氨气喷管的流量,以实现NH3与烟气均匀掺混的目标。图8给出了加装涡流混合器后系统对称面上的速度和压力分布,图9给出了对称面上NH3浓度分布,图10给出了催化剂入口截面处NH3浓度分布。从计算结果可以看出,NH3从喷氨管喷出,在反应器内与烟气充分掺混,经过导流叶栅和整流格栅后,进入第一层催化剂入口时,流场分布均匀。氨气与烟气的掺混在上游垂直烟道内基本完成,在导流叶片和整流格栅的作用下,氨气与烟气进一步混合,在催化剂入口截面处NH3浓度分布均匀,实现了NH3/NOx充分均匀混合,可以提高脱硝效率。4实验装置和方法为了验证数值模拟的可靠性和正确性,研究中建立了几何尺寸为1:15的脱硝气动模型实验台,实验台设计满足几何相似、运动相似和动力相似原则。试验过程中,入口截面的雷诺数Re=353000,实验在自模化区。具体模型外形、涡流混合器详图见图11。通过特制的五孔探针风速测量设备系统,在反应器内第一层催化剂入口测定断面各点的速度大小和方向。五孔探针采集气体压力信号,压力再经过压力传感器--变送器转换成电信号,反映压力的电信号经过信号调理模块放大再通过数据采集模块转换成数字信号进入计算机。图12给出了对称面内催化剂入口截面上实验和数值计算速度值的比较,计算结果与试验数据吻合较好,本文的数值计算方法具有良好的可靠性。5数值结果分析通过对上述5种方案SCR脱硝系统流动和掺混的数值模拟,获得了合理的SCR脱硝系统结构和尺寸,数值计算有效地指导了SCR脱硝系统的设计。(1)数值计算结果与模型试验数据吻合较好,数值计