SCR脫硝的案例
燃煤電站SCR煙氣脫硝CFD技術的研究進展
摘要：選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術雖然應用廣泛,但催化劑磨損、堵塞及還原劑與煙氣混合不均等問題時有發生,CFD技術可多角度模擬現場情況,有助于問題的解決.對國內外燃煤電站SCR煙氣脫硝CFD技術的研究進行了綜述,在對文獻進行梳理的基礎上,闡述了計算流體力學CFD軟件在SCR煙氣脫硝模擬中的應用情況。
其主要領域包括:流場模擬、組分濃度場模擬、氣固兩相流模擬、化學反應模擬等.指出合理均勻的流場是整個SCR系統經濟安全運行的基礎;耦合詳細反應機理的SCR模型與鍋爐燃燒、SNCR等模型的聯合模擬是未來研究的重點.
選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝技術作為一種高效的NOx控制技術,在燃煤電廠得到廣泛的應用。然而,由于燃煤機組負荷、煤質多變且現場運行缺乏理論指導,SCR煙氣脫硝系統在投運過程中往往出現較多問題。
雖然國內外學者對SCR數值模擬技術做了較多研究,但其仍未完全成熟,主要有以下因素:(1)SCR模擬一般是在假設反應器入口速度、組分濃度、溫度等邊界參數均勻分布的基礎之上進行的;(2)SCR反應器內復雜的化學反應及氣固兩相流動過程,靠單一的CFD軟件難以實現。本文對國內外關于SCR數值模擬的文獻進行了梳理和總結,在介紹SCR關鍵技術的同時指出其在工程運行中存在的問題,為數值模擬研究提供借鑒。
1流場的數值模擬
SCR煙氣脫硝系統如圖1所示。SCR煙氣脫硝反應器(以下簡稱SCR反應器)通常布置在省煤器與空氣預熱器之間,受場地及空間位置等因素的制約,SCR反應器前往往存在1個或多個變截面煙道。變截面煙道會加劇反應器內流場的不均勻性,并且增大系統的壓降。
在設計SCR煙氣脫硝系統時,對反應器內噴氨格柵截面和首層催化劑入口截面速度的均勻性有嚴格要求,即這2個截面速度相對偏差系數均應控制在15％以內。
展開 垃圾焚燒SCR脫硝裝置流場模擬分析 ￥20
</p><p class="ql-align-justify"><strong>三、計算結果及分析</strong></p><p class="ql-align-justify">經過模擬計算，添加導流及擾流措施，本SCR脫硝裝置的模擬運行狀態如下：</p><p><br></p><p><br></p><p class="ql-align-center"><br></p><p><br></p>
展開 鎮海煉化│丙烷脫氫裝置空氣系統問題探討
為充分利用SCR脫硝催化劑，將催化劑大模塊解體成小模塊，拆開脫硝催化劑大模塊后發現催化劑孔道已被堵塞，見圖3。
用0.6MPa的工廠風逐一吹掃小模塊孔道，吹掃干凈后復裝成大模塊重新投入使用。
SCR脫硝催化劑檢修前后數據見表3。
運行中SCR脫硝催化劑床層壓差逐漸升高，氨逃逸率升高，脫硝效率降低。吹掃后，SCR脫硝催化劑床層壓差、脫硝活性和氨逃逸率恢復至初始狀態，說明清除積灰能夠恢復SCR脫硝催化劑的脫硝性能，驗證了該SCR脫硝催化劑屬可逆失活。
取SCR脫硝催化劑孔道內的積灰，用ICP掃描光譜儀分析得知，積灰組成以硅、鋁、鈣、鐵、鉻為主，為保溫材料、鐵銹和脫氫催化劑粉塵。借鑒某發電廠的經驗，在SCR脫硝催化劑床層處增加高頻聲波吹灰器系統，其發聲功率達30kW，發聲頻率在10~10000Hz，能與設備內部任意形式的積灰產生共振，可以有效清除積灰、解決堵塞。使用高頻聲波吹灰器系統后，SCR脫硝催化劑床層壓差未出現明顯上升的現象。
05
使用不同SCR脫硝催化劑的對比
為了推進丙烷脫氫裝置SCR脫硝催化劑國產化、降低裝置運營成本，選擇某國產催化劑與原進口催化劑進行對比，結果見表4。
發現該國產催化劑與進口催化劑存在一定的差距。
原進口催化劑對NO和NO2的脫除率高，更換該國產SCR脫硝催化劑后，NO和NO2脫除率以及總體脫硝效率降低。針對丙烷脫氫裝置空氣系統的特殊性，國產SCR脫硝催化劑需要開發專一性強的產品才能滿足市場要求。
展開 某SCR脫硝項目，其進口帶一段水平煙道，模擬分析水平煙道積灰風險 ￥20
本次模擬對象為某SCR脫硝項目，其進口帶一段水平煙道，控制水平煙道積灰的要素有兩個：
1、氣流優化：減少積灰條件
流速控制：
最低流速：保持煙道內流速＞12~15 m/s（一般工況）或＞18m/s（高灰分煙氣），避免粉塵沉降。
均勻分布：通過CFD模擬優化進口導流板或均流格柵，確保斷面速度偏差＜15%。
湍流抑制：減少直角彎頭，改用大曲率彎管（R/D≥1.5）或內設導流葉片，避免局部渦流導致積灰。
2、結構設計：從源頭防積灰
傾角設計：水平煙道設置≥5°~10°傾斜度，并在低端設集灰斗（帶鎖氣閥定期排灰）。
內壁光滑化：采用內襯耐磨陶瓷或玻璃鋼板，降低壁面粗糙度（Ra＜0.2μm），減少粉塵附著。
避免結構死角：取消支撐梁凸起，改用外保溫支撐；法蘭連接處需平滑過渡。
本項目進口煙道與反應器同寬且彎頭較多，氣流為上部來流側部進氣，該脫硝項目為高溫高塵，窯尾煙氣粉塵濃度較高，對反應器入口水平直段底部極易產生積灰風險；通過添加導流板及結構調整對流場進行優化，相對提高反應器入口水平直段底部風速，并使首層催化劑上風速均布性及系統阻力滿足技術要求。
此外，在保證灰斗容積不變的前提下，在原始方案的基礎上將灰斗進行抬高，控制該處局部阻力不變，優化整體結構。
圖1 三維模型
圖中in01~in03和t2分別為壓力監測面，x0為首層催化劑上200處監測面。
本項目工況下煙氣量為1194688m3/h，由于本項目煙氣為含塵濃度較高的含塵煙氣，根據窯尾煙氣成分及含塵濃度，計算煙氣濃度為0.7188kg/m3；出口采用壓力出口（pressure-outlet），出口壓力設定為0Pa，湍流模型采用standard k-e模型，近壁面處采用無滑移邊界條件。
展開 
某鋼鐵廠SCR脫硝，根據相對標準偏差研究催化劑上表面的偏差值，通過改進結構使偏差及阻力滿足要求 ￥15
某鋼鐵廠SCR脫硝項目中，以其中脫硝主體設備為研究對象，按照1：1對脫硝設備建立三維模型，并按要求設置進氣口管道和出氣口管道，進口為inlet，出口為outlet。
兩點說明：1.《火電廠煙氣脫硝工程技術規范》中規定對氣流均布可采用數值模擬的方法計算，但對于判定的標準并無規定。因此可借鑒我國通用的氣流分布均勻性的評定方法——相對標準偏差法進行判定，以下將有介紹。2.由于催化劑基材板厚0.7mm，板間距7mm，在整個催化劑模塊內相當于密實排布，而催化劑模塊在長×寬為10080mm×5000mm的脫硝殼體內也是無間隙排布。因此催化劑上平面可類比成等開孔率的分布板。若氣流在催化劑上平面分布均勻，則進入催化劑內部會更加均布。在脫硝模型中去掉催化劑模型，改為監測催化劑上平面100mm（模型中所標33m）處的氣流均布性能，該簡化是合理的。
三維模型圖及斷面監測位置
脫硝設備氣流模擬模型
在模型中速度監測斷面位置（33m位置打點斷面）
設備內部構件
計算模型
湍流模型采用標準k-e模型，湍流流場的計算采用有限體積法離散控制方程，算法采用SIMPLE算法，對流項采用一階迎風格式，近壁面采用壁面函數法處理。假定流體是不可壓縮的，作定常流動，整個模擬過程為等溫過程。
邊界條件
煙氣溫度為350℃，煙氣密度約為0.566kg/m3，煙氣動力粘度系數=3.14×10-5Pa?s
因有兩個進口，所以單個進口煙氣流量為325000m3/h。
入口斷面的當量水力直徑D：
D=2.294m，
湍流強度I：
I=2.77
入口邊界條件設置為速度入口，出口邊界條件設為壓力出口，壁面采用無滑移邊界條件。
計算結果及分析
定義
目前國際上還沒有統一的評定氣流分布均勻性的標準方法。
展開 煙氣脫硝（SCR)技術及相關計算
煙氣脫硝，按治理工藝可分為濕法脫硝和干法脫硝，目的是脫除煙氣中的氮氧化物。隨著現代工業生產的發展和生活水平的提高，氮氧化物的污染問題，也越發引人關注。本文主要介紹了煙氣脫硝（SCR）技術及相關計算。
焦化行業超低排放的技術路線
焦爐煙氣脫硫脫硝常見的方法有(半)干法脫硫+除塵+SCR脫硝、新型催化法脫硫+SCR脫硝、SCR脫硝+ (半)干法脫硫濕法脫硫+除塵、活性炭活性焦法脫硫脫硝等主流工藝技術。除塵可優先選用高效布袋除塵方式并控制過濾風速。(半)干法脫硫的脫硫劑可采用鈣基或鈉基脫硫劑。
2裝煤廢氣(含爐頭煙)
2.1頂裝焦爐
可采用集氣管負壓+高壓氨水噴射+單孔炭化室壓力調節或集氣管負壓+單孔炭化室壓力調節這2種技術路線配合密閉裝煤車實現無煙裝煤。密閉裝煤車設置雙層導套，內外套之間、外套與裝煤孔座之間采用特殊密封結構,減少裝煤煙氣無組織排放。單孔炭化室壓力調節技術是在上升管和集氣管之間的橋管處設有煤氣流量自動調節裝置，在裝煤和結焦過程中通過調節單個炭化室內荒煤氣進入集氣管的流通斷面，穩定炭化室壓力，減少爐門、裝煤孔等處廢氣無組織排放。該技術可單獨使用，也可與高壓氨水噴射技術聯合使用。
可采用集氣管正壓+高壓氨水噴射+除塵裝煤車+地面除塵站+脫硫的技術路線,將爐頂裝煤逸散的煙氣進行除塵、脫硫。除塵采用干式地面除塵站，選用覆膜濾料或其他優質濾料。煙氣脫硫可采用活性焦/炭法或干法脫硫。
2.2搗固焦爐
可采用集氣管正壓+高壓氨水噴射+雙u形管煙氣轉換技術。煙氣轉換技術是將正在進行裝煤操作的炭化室煙氣導入相鄰炭化室內，減少裝煤煙氣無組織排放。也可采用集氣管負壓+高壓氨水噴射+單孔炭化室壓力調節+雙U形管煙氣轉換技術。
搗固焦爐和頂裝焦爐的機側爐頭煙治理均采用干式地面除塵站，選用覆膜濾料或其他優質濾料。
3推焦廢氣
推焦過程焦側產生的廢氣直接送干式地面除塵站，選用覆膜濾料或其他優質濾料。
展開 焦爐煙氣污染物如何達標？
二、焦爐煙氣中氮氧化物的控制
對焦爐煙氣內的氮氧化物進行控制主要是從其燃燒過程與終端治理兩方面進行，其中在燃燒過程中對NOX進行控制的常見措施包括廢棄循環、分段加熱以及對實際燃燒溫度進行控制等措施；
對焦爐煙氣內NOX進行終端治理的措施常見的是SCR脫硝法，由于焦爐煙氣溫度偏低，一般在220℃-270℃，采用SCR脫硝技術處理成本較高，會增加焦化企業的經濟投入負擔，并且對使用的煤氣類型也有一定要求，因此，不能大范圍推廣與應用。所以，以下主要分析燃燒過程中對焦爐煙氣內的NOX進行控制的常規措施。
1、廢氣循環技術
現階段，對焦爐煉焦過程中煙氣內的NOX進行控制時，使用最多的就是廢氣循環措施。廢棄循環其實是一種低NOX燃燒技術，這種燃燒技術可以在空氣預熱器之前抽取部分低溫煙氣，將這部分低溫煙氣直接送入爐膛內，或者將這部分低溫煙氣直接摻入一次風中或者二次風中。
這種燃燒技術的應用原理主要是：煙氣在吸熱過程與對氧氣的稀釋作用會使爐膛內的燃燒速度與溫度降低，可以有效抑制熱力型NOX的生成。使用廢氣循環技術能夠大大降低煤氣內的可燃成分與空氣中的氧氣濃度，同時能夠加快氣流的速度，可以拉長火焰，對確保焦餅的上下加熱的均勻性十分有利，并且能夠有效改善焦炭質量，在一定程度上能夠縮短結焦時間，在增加產量的同時降低熱量消耗。
需要注意的是，廢氣循環技術適用于含氮量較低的燃料中，可以有效降低焦爐煙氣內的含氮量。經過試驗發現，將煙氣再循環量控制在10%-20%之間燃燒效率最佳，如果煙氣再循環量超過30%，就會使燃燒效率降低。
2、分段加熱技術
分段加熱控制技術通常應用在空氣分段過程中，以及空氣與貧煤氣的分段供給加熱過程中。
展開 脫硝后風機振動，引起聯軸器襯套膜片斷裂，通過CFD模擬分析，找到振動誘因，出具整改方案 ￥20
SCR脫硝項目在試運行時，風機發生振動問題。振動問題的產生與風機運行頻率有一定關系——小于35Hz以下，煙道系統工作正常；大于35Hz以下，煙道系統出現異響。振動發生時，導致聯軸器襯套膜片斷裂。為保證正常投產運行，需要找出風機振動原因，解決振動問題。為了了解風機上游煙道與下游煙道氣體流動特征，需要對流動進行CFD模擬。
為了排除振動問題是由氣體在管道結構中流動誘發，通過 CFD 數值模擬的方法，確定模擬范圍。CFD數值模擬幾何模擬按照管道實際尺寸 1:1 的比例建立，主要完成數值模擬模型建立、網格劃分、邊界條件確定、數值計算、結果分析等內容。
模擬范圍包含兩部分：
（1） 風機入風口煙道。主要研究導流板對流動的影響。
（2） 風機出風口煙道。主要研究出風口煙道結構對流動的影響。
風機入風口煙道
風機入風口煙道流動模擬主要研究導流板對流動的影響，將模擬無導流板、現場結構導流板、以及延長導流板對流動的影響。
風機出風口煙道
主要研究出風口煙道結構對流動的影響，關注循環煙道取風口對流動的影響。
流動誘發壓力脈動數值模擬
模擬方法與策略總體選擇
如果是流動造成的煙道系統的結構振動，其中根本原因輸送煙氣的壓力脈動。穩態模擬不能體現壓力隨時間的變化，因此，模擬應該以瞬態的方式進行，關注的重點應包括壓力脈動。
由于項目時間緊，要求計算快速準確地出結果。根據以往采用CFD方法研究輸氣管道振動經驗， k-e湍流模型的耗散效應導致無法準確捕捉到相應的壓力脈動，而DES、LES模型往往需要較多的網格，以及較長的計算時間。在眾多數值湍流模型中，通過權衡計算結果可靠性與時間成本，SBES湍流模型是最佳的模型，其即能捕捉到相應的壓力脈動，又能節省一部分時間。因此，本次計算中，所有案例采用SBES湍流模型。
展開 100萬噸焦化2×60 孔焦爐煙氣脫硫脫硝工程
2）脫硝工藝選擇
脫硝工藝目前有選擇性催化還原技術SCR工藝、爐內脫硝的SNCR工藝、低溫等離子脫硝工藝、臭氧脫硝工藝等。應用較普遍且較成熟可靠的是SCR和SNCR兩種工藝，但由于伙爐是由大量立火道組成的燃燒室組成，SNCR根本不適合焦爐，因此只有SCR比較適合，但鑒于焦爐煙氣溫度偏低，只能選用低中溫催化劑。
使用SCR脫硝工藝，還原劑可就地取材，即選用焦化廠蒸氨系統自產的氨水即可，可以節省大量的原料運輸成本和采購成本等；其次，使用本工藝，還可與氨法脫硫工藝更好的銜接起來，氨水供應系統可公用，節省基建投資。
綜上所述，煙氣脫硝最可靠的工藝仍然是SCR工藝，我公司推薦使用此工藝。
1.5脫硫脫硝和余熱回收整體工藝說明
從焦爐總煙道引出的285℃的煙氣，經分級過濾器過濾掉大部分焦油雜質后，先進行SCR脫硝，然后再進入換熱器將脫硫后的煙氣提溫至130℃，同時煙氣降溫至215，然后再進行脫硫；提溫后的脫硫煙氣直接進入原有煙囪排放。
另外，當增壓風機停電或其它故障時，需打開進煙囪的旁路擋板將焦爐煙氣排入煙囪時，如煙囪內如為常溫，則不能在煙囪根部及時形成有效的吸力，而影響焦爐的安全生產。為此，本項目特設計了熱備系統，即從脫硝后的熱煙氣送至煙氣-空氣再熱器，在煙氣-空氣再熱器中將冷空氣（經煙囪根部吸力而吸入）升溫至130℃左右，送入煙囪進行熱備，這樣使得煙囪始終具備拔煙功能，從而確保焦爐的安全生產。
工藝流程圖如下圖所示。
由于現場兩座焦爐相距較遠，采用一爐一套脫硫脫硝系統進行建設。
第二章脫硫工程技術方案
2.1氨法脫硫工藝簡介
2.1.1氨法脫硫工藝特點
氨水是氨溶于水得到的水溶液，呈堿性，氨離子能與很多酸根離子進行反應，生成相應的鹽。
展開 1173家企業大動蕩！高爐鑄企整治、涉氣整改嚴控，整個3月難平靜
嚴控氨逃逸，采用SCR脫硝治理工藝的氨逃逸濃度不得超過2mg/Nm3；采用SNCR脫硝治理工藝的氨逃逸濃度不得超過8mg/Nm3。
同時，開始對排污許可證進行重新核定工作，重點核查重點行業、重點企業有組織、無組織排放量，逐步實施總量控制。（責任單位：市生態環境局、市行政審批局）
各縣（市、區）參照市做法，對100家重點涉氣企業之外的重點行業、重點企業實施總量減排管控；每月報市大氣辦備案，執行情況納入空氣質量月度考核。（責任單位：市大氣辦，各縣（市、 區）相關部門）
三、氮氧化物減排專項行動
1.
3月底前，完成5家高爐鑄造企業、12家冶金灰處置企業和2家垃圾發電企業提標整治。
對逾期未完成治理的企業，實施停產整治。（責任單位：市生態環境局）
對鋼鐵、焦化、電力、水泥企業開展NO*治污設施評估和在線監測設施核查，發揮NO，污染設施最大治污能力，設備校準后，使用在線監測數據進行監控管理。對污染治理不到位的限期整改，限期整改不到位的停止排污。（責任單位：市生態環境局）
采暖期結束至5月底，大唐唐山熱電公司所有機組、其他電廠50%機組停產檢修。（責任單位：市發改委）
重點用車企業，禁止使用國四及以下排放標準的重型載貨車輛（含燃氣）運輸物料，內部運輸車輛全部采用國五及以上或新能源車輛，在重污染天氣預警期間，日進廠運輸車輛數量減少50%。（責任單位：市生態環境局）
四、 一氧化碳減排專項行動
1.3月15日前，完成76座高爐均壓放散煤氣全回收設施建設，配套建設引射器，對逾期未完成治理的企業實施停產整治。
展開 
基于“ANSYS-FLUENT”核心技術與工程案例實踐 培訓
脫硝模擬
（9）FLUENT燃燒模擬技巧
（10）FLUENT燃燒模擬算例，氣體、液體及固體燃燒算例
Day 3
FLUENT
各 領 域 實 例 操 作 講 解
（1）FLUENT流固耦合模擬算例
（2）氣體、液體及煤粉燃料燃燒模擬算例
（3）動網格及旋轉網格模型算例
（4）UDF算例
（5）離散相、顆粒運動DPM模擬算例
（6）多相流各類模型算例
（7）多孔介質流動及化學反應模擬算例
（8）生物醫學血管主動脈模擬算例
（9）燃燒爐及燃氣輪機燃燒室模擬算例
（10）建筑、暖通、給排水CFD模擬算例
（11）旋轉攪拌器多相流模擬算例
（12）化工催化反應器模擬算例
（13）大壩泄洪過程水波模擬算例
（14）FLUENT在流體機械領域的應用：泵與風機模擬
（15）換熱及制冷領域模擬：換熱器分析、氣流組織模擬
（16）空化問題模擬
（17）學員關心的其他FLUENT案例
（課堂演示過程，當堂完成FLUENT案例操作及關鍵步驟講解）
Day 3
專題討論及答疑
專題1：如何改善計算過程中的收斂性
專題2：技巧：如何減少網格數量/如何提高網格質量
專題3：后處理技巧：如何將計算結果漂亮地展示出來，動畫制作及空間渲染
專題4 : Fluent中常見錯誤及處理方法
答疑：答疑各學員的疑惑難題。
展開 ANSYS-FLUENT核心技術與工程實例 ——培訓
流固耦合
（1）流體及固體計算域
（2）多計算域網格生成
（3）流固耦合計算域數據交換
（4）流固耦合模擬求解
（5）結果后處理
（6）FLUENT流固耦合模擬最新功能介紹
（7）算例：求解流固耦合換熱問題
Day 2
顆粒DPM離散相模擬
（1）DPM模型簡介
（2）粒子特征
（3）粒子軌跡計算方法
（4）DPM邊界條件
（5）DPM模擬及與流體耦合
（6）霧化、液滴及煤粉的運動過程模擬
Day 2
FLUENT多相流模擬
（1）多相流流體力學簡介
（2）拉格朗日框架粒子運動模型DPM描述
（3）VOF模型及應用
3.1模擬水箱的水波運動
3.2水平膜狀沸騰
（4）歐拉框架粒子場描述
（5）歐拉與混合多相流模型（包含空化模擬）
（6）多相流模型算例，包含氣液、氣固、液固等多相流問題
6.1利用多相流混合模型和歐拉模型求解T形管流動
Day 3
FLUENT 燃 燒及 化 學 反 應流 模 擬
（1）FLUENT燃燒模擬簡介
（2）FLUENT燃燒模型之渦耗散模型與非預混模型
2.1使用非預混燃燒模型模擬燃燒問題
（3）FLUENT燃燒模型之層流火焰面模型、預混燃燒模型、及部分預混燃燒模型
（4）FLUENT詳細化學反應模型、EDC及組分輸運PDF模型
（5）表面反應模擬及多孔介質反應模擬
（6）FLUENT離散相DPM反應和噴霧模型
6.1模擬噴霧蒸發過程
（7）FLUENT輻射模型
7.1使用太陽光輻射加載模型模擬室內通風過程
（8）FLUENT污染物模型，NOx、SOx、soot及SNCR、SCR
展開 煙氣脫硫脫硝技術
第三部分 鍋爐企業的脫硫脫硝技術應用
鍋爐企業的脫硫脫硝技術，在國內現有鍋爐生產廠家中多以煤或煤氣作為燃燒介質，對于燃煤鍋爐，國內應用最成熟的工藝是FGD法（利用吸收劑或吸附劑去除煙氣中的二氧化硫）脫硫技術，脫硝則以選擇性催化還原法SCR技術為主。
煙氣脫硫脫硝技術
第三部分 鍋爐企業的脫硫脫硝技術應用
鍋爐企業的脫硫脫硝技術，在國內現有鍋爐生產廠家中多以煤或煤氣作為燃燒介質，對于燃煤鍋爐，國內應用最成熟的工藝是FGD法（利用吸收劑或吸附劑去除煙氣中的二氧化硫）脫硫技術，脫硝則以選擇性催化還原法SCR技術為主。
