某化工废气焚烧厂SCR脱销系统烟道仿真优化设计研究

刘上光

摘要：以某化工废气焚烧厂两台SCR 脱硝系统为研究对象，分别研究了导流板、混合器、整流器等装置对SCR脱硝系统中温度场、氨浓度场、速度场的影响，经过分析比较两种负荷运行条件下的各个要求指标，可以看出PROJIECT1方案中，采用一二三级静态混合器、弯管导流板、扩口导流板结合整流器的方案最优，额定工况下速度偏差降低至2.01%，氨浓度偏差降低至2.33%，温度偏差为±3K，整个烟道阻力为1393K，整个优化设计均远优于技术指标要求;而PROJIECT2方案中，采用相同的方案，额定工况下能够使得速度偏差降低至1.76%，氨浓度偏差降低至4.31%，温度偏差为±2K，整个烟道阻力为1183K，整个优化设计均远优于技术指标要求。

关键词：废气焚烧;SCR;烟道设计;仿真优化

Abstract  Two SCR denitrification systems of a waste gas incineration plant are analyzed by CFD，and the effects of the devices such as deflectors，mixers and rectifiers on the temperature field，ammonia concentration field and speed field in SCR denitrification system were studied respectively. The requirements indicators under the two load operating conditions are analyzed，and the results show that it can be seen that the scheme of using one-two-three static mixers，elbow guide plates，expanded vent guide plates combined with rectifiers is optimal in the PROJIECT1 scheme. Under rated operating conditions in the PROJIECT1，the speed deviation can be reduce to 2.01%，and ammonia concentration deviation can be reduced to 2.33%. The temperature deviation is only ±3K，and the entire flue resistance is 1393K.The entire optimization design is far better than the technical specifications. Under rated operating conditions in the PROJIECT2，the speed deviation can be reduce to 1.76%，and ammonia concentration deviation can be reduced to4.31%. The temperature deviation is only ±2K，and the entire flue resistance is 1183K.The entire optimization design is far better than the technical specifications.

Keywords   Waste gas incineration，SCR，flue design，simulation optimization.

前言

隨着 “碳达峰”“碳中和”发展路线的提出，对环境要求也越来越提高。其中垃圾分类也在上海等地区实施，为废气焚烧厂提供了更加优秀的焚烧垃圾，同时各界对废气焚烧厂的要求也越来越严。目前，废气焚烧处理具有技术可靠、容量大、对垃圾适应性强、运行维护方便等优点，具有较高的推广价值[1]。但是，其会排放大量的污染烟气，如NOx、Sox以及二恶英等。因此，需采用过不同治理方法对其污染烟气进行处理，其中选择性催化还原法（SCR）脱硝工艺是目前我国使用较为广泛的脱硝技术，该技术具有脱硝效率高、控制方便、运行可靠等特点[2，3]。

Liu 等[4]针对低挥发分燃煤锅炉系统中 SCR系统烟道和导流板布置进行了优化设计仿真，有效降低了 NOx 排放，并减少了氨耗量。陶正新等[5]采用 CFD 仿真技术对 SCR脱硝装置进行优化改造，对弯道内侧弧形导流板和整流格栅结构进行优化设计，大幅消减了催化剂层上方低速区，改进了烟气速度分布的不均匀性。除此之外，国内陈太平[6]、董陈[7]、张波[8]、张彦军[9]等都对SCR烟道系统进行了优化设计，证明了采用CFD仿真优化设计后，能够有效提升脱硝效率，减少NOx的排放量。

本文针对某化工废气焚烧厂中两台SCR 脱硝系统为研究对象，分别研究了导流板、静态混合器、整流器等装置对SCR脱硝系统中温度场、氨浓度场、速度场的影响，并分析比较各种装置的作用，提出了优化设计方案。

1 SCR烟道及仿真模型介绍

1.1 SCR烟道介绍及仿真要求

某废气焚烧电厂的两台废气焚烧炉分为PROJIECT1和PROJIECT2，烟道系统如图 1所示。PROJIECT1烟道系统总长15米，为L型设计，两层催化剂层，PROJIECT2烟道系统总长12米，一层催化剂层。两者均要求通过烟道设计使得进入催化剂前速度偏差10%以内，浓度偏差5%以内，温度偏差±10K，其中PROJIECT1速度偏差为20%，氨浓度偏差为15%，温度偏差为±25K;PROJIECT2速度偏差从16%，氨浓度偏差为18%降低，温度偏差为±20K。

PROJIECT1和PROJIECT2的入口烟气条件及喷氨量如表1所示。

1.2 数值仿真模型介绍

SCR烟道系统数值仿真模型主要涉及到流场模型（标准k-ɛ模型[10]）及催化剂模型（多孔介质模型[11]）。SCR 烟道系统数值仿真过程中数学模型的基本控制方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，这些为基础方程不做详细介绍。

1.2.1 标准k-ɛ模型

SCR 烟道系统内烟气呈湍流流动，本文选择标准k-ɛ模型模拟烟道系统中烟气流动过程。湍动能 k与耗散率ɛ对应的输运方程[10]如下：

1.3数值仿真网格介绍

网格采用六面体和四面体网格相结合的方式，其中PROJIECT1网格950万，PROJIECT2网格910万，并进行网格无关性验证，保证结果与网格数量无关。具体网格如图 2和图 3所示。

1.4评价指标

本文采用相对标准偏差描述 SCR烟道系统中特定截面的速度及浓度等参数偏离其平均值的程度。相对标准偏差定义如下[12]：

1.5模拟工况

表 1给出了PROJIECT1及PROJIECT2的模拟工况。

2 模拟结果与分析

2.1 PROJIECT1模拟结果与分析

2.1.1 PROJIECT1额定工况下速度场

图4给出了PROJIECT1中4个案例在额定运行工况下的速度场，经过计算发现，四个案例经过各种装置的联合作用下，各个速度场分布都较均匀。但是不难发现，一级静态混合器的作用效果明显，其能够形成扰流使得氨气喷入后快速混合。而一级静态混合的形式也有着明显的不同，星型静态混合器的结构更有利于氨气喷入后的快速混合。整流器的存在起到的作用相对较弱。表 2给出了第一层催化剂前0.1m处的速度分布的相对偏差结果，不难发现，四个案例的相对速度偏差均小于15%的要求。其中，案例四的方案效果最好，仅2.01%，远远低于要求。

2.1.2 PROJIECT1额定工况下PROJIECT1浓度场

图5给出了PROJIECT1中4个案例在额定运行工况下的速度场，经过计算发现，四个案例经过各种装置的联合作用下，各个浓度场分布都明显改善。但是不难发现，一级静态混合器的作用效果明显，其能够形成扰流使得氨气喷入后快速混合。而一级静态混合的形式的作用相对较弱。整流器的存在起到的作用也相对较弱。表 3给出了第一层催化剂前0.1m处的氨浓度分布的相对偏差结果，不难发现，四个案例中，没有一级静态混合器的案例1中的氨浓度排查大于目标5%的要求，其它三个案例的相对浓度偏差均小于5%的要求。其中，案例四的方案效果最好，仅2.33%，远远低于要求。

2.1.3 PROJIECT1额定工况下PROJIECT1温度场

图 6给出了PROJIECT1中4个案例在额定运行工况下的温度场，经过计算发现，四个案例经过各种装置的联合作用下，各个速温度分布都较均匀。但是不难发现，一级静态混合器的作用效果明显，其能够形成扰流使得氨气喷入后快速混合。而一级静态混合的形式的影响相对较弱。整流器的存在起到的作用相对较弱，且存在偏斜。表 4给出了第一层催化剂前0.1m处的温度分布的相对偏差结果，不难发现，四个案例的平均温度相对偏差均小于10K。其中，案例四的方案效果最好，仅±3K，远远低于要求。

2.1.4 PROJIECT1额定工况下压力降

图 7给出了PROJIECT1中4个案例在额定运行工况下的压力场，经过计算发现，四个案例经过各种装置的联合作用下，总压力降均符合要求。但是不难发现，一级静态混合器的作用效果明显，其存在压力降显著增大。而一级静态混合的形式也有着明显的不同，星型静态混合器的结构相对面积较小，因此压降较小。整流器的存在起到的作用相对较弱。表 5给出了经过不同装置处的压力降，不难发现，四个案例的压力降均为超过2000Pa。其中，案例三的方案效果最好，仅1383Pa。

2.1.5 二级及三级静态混合器的作用

二级及三级静态混合器的作用是分别通过强制上下和左右流动，使得速度场和浓度场温度场快速混合，从而削减弯管带来的影响。为了更清晰的说明二级及三级静态混合器的作用，對二级及三级静态混合器的前后界面进行监测，三个截面ABC如图 8所示。

通过监测ABC三个截面的速度场、浓度场以及温度场，结果如图 9所示。不难发现，增加了二级和三级混合气器后，无论是速度场、浓度场以及温度场在C截面后达到了相对均匀的结果，经过二级混合器后氨气浓度场以及温度场明显改善，但是速度场存在着较大差距。不过再经过三级混合器后，三个指标均明显改善，这也说明了二级及三级混合器需要联合使用才能够有效的起作用。经过计算发现，A截面的氨气浓度相对偏差为13.3%，B截面的氨气浓度相对偏差为7.1%，C截面的氨气浓度相对偏差为3.3%，由此可见，二级及三级混合器在对氨浓度场均匀分布的作用显著，是无法取消的。

2.1.6 PROJIECT1低负荷工况下模拟结果与分析

采用案例四中装置设置方式，并用相同的方法模拟分析了PROJIECT1低负荷运行性条件下的工况分析，结果如图 10所示，PROJIECT1低负荷运行性条件下的速度场、浓度场、温度场及压力场分布均符合设计要求，经计算得到，平均速度0.75m/s，速度相对偏差为3.33%;平均氨气浓度3.37e-3，速度相对偏差为2.80%;平均温度为582.9K，最高温度为581.3K，最低温度为583.9K，平均偏差不超过±2K;整个烟道压力降为1010Pa。

2.2 PROJIECT2模拟结果与分析

2.2.1 PROJIECT2额定工况下

采用PROJIECT1的分析方式，并用相同的方法模拟分析了PROJIECT2的工况，对一二三级静态混合器、导流板、整流器等装置进行分析比较，最后发现采用一二三级混合器、导流板和整流器的结果最好，其结果如图 11所示，PROJIECT2额定工况运行性条件下的速度场、浓度场、温度场及压力场分布均符合设计要求，经计算得到，平均速度4.03m/s，速度相对偏差为1.76%;平均氨气浓度8.45e-05，速度相对偏差为4.30%;平均温度为622.36K，最高温度为 623.47K，最低温度为 620.42K，平均偏差不超过±2K;整个烟道压力降为1183Pa。

2.2.2 PROJIECT2低负荷运行工况下

采用相同的方法模拟分析了PROJIECT2低负荷运行工况，其结果如错误！未找到引用源。所示，PROJIECT2额定工况运行性条件下的速度场、浓度场、温度场及压力场分布均符合设计要求，经计算得到，平均速度3.6m/s，速度相对偏差为2.58%;平均氨气浓度9.46e-5，速度相对偏差为4.31%;平均温度为622.35 K，最高温度为621.41K，最低温度为623.2K，平均偏差不超过±2K;整个烟道压力降为1143Pa。

3 结  论

针对某化工废气焚烧厂中两台锅炉的SCR烟道系统优化设计，采用湍流和多孔介质模型，分析比较了各种工况，最后给出了最优的方案设计，具体结果如下：

（1）PROJIECT1案例中，采用一二三级静态混合器、弯管导流板、扩口导流板结合整流器的方案最优，额定工况运行下其结果能够使得速度偏差从20%降低2.01%，氨浓度偏差从15%降低至2.33%，温度偏差为±3K，整个烟道阻力为1393K，整个优化设计均远优于技术指标要求。其中一二三级静态混合器的作用是使得氨气浓度分布均匀，而导流板主要是帮助速度场分布均匀。

（2）PROJIECT2案例中，采用相同的方案，额定工况运行下其结果能够使得速度偏差从16%降低1.76%，氨浓度偏差从18%降低至4.31%，温度偏差为±2K，整个烟道阻力为1186K，整个优化设计均远优于技术指标要求。

参考文献：

[1]揭涛. 某生活化工废气焚烧厂SCR脱硝系统数值模拟研究[J]. 广州化工，2020，48（17）：94-96，133.

[2]钱成绪.火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程配套计算方法 [M]. 北京：中国电力出版社，2004：104-106.

[3]陈海文，肖旭，黄加昀.炼铁厂烧结机SCR脱硝系统烟道优化设计[J].能源环境保护，2021，35（02）：69-74.

[4]Xing Liu，Houzhang Tan，Yibin Wang，et al.Low NO Combustion and SCR Flow Field Optimization in a Low Volatile Coal Fired Boiler[J]. Journal of Environmental Management，2018，220（5）：30-35.

[5]陶正新，韋红旗，李文霞，等.基于 CFD 模拟的 SCR脱硝装置优化改造[J].发电设备，2019，33（3）：178-181.

[6]陈太平.300MW煤粉锅炉SCR烟气脱硝装置数值模拟及结构优 化[D]：哈尔滨工业大学，2015.

[7]董陈，乔海勇，牛国平，等.某600MW机组SCR烟气脱硝装置优 化设计[J].热力发电，2014，43（12）：99-104.

[8]张波，张伟，牛国平.300MW机组锅炉SCR装置流场研究[J].热 力发电，2012，41（7）：22-24，48.

[9]张彦军，高翔，骆仲泱，等.SCR脱硝系统入口烟道设计模拟研究 [J].热力发电，2007，36（1）：15-17，23.

[10]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，2004：1-121.

[11]江帆，徐勇程，黄鹂.FLUENT 高级应用与实例分析[M].北京：清华大学出版社，2018：382-383.

[12]周智健，王信，常剑，陈宏刚，牛玉广.660 MW 燃煤电厂 SCR 脱硝系统 CFD模拟优化研究.中国电机工程学报.https：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.202015.

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