摘 要 CFD数值模拟技术作为SCR脱硝设计辅助手段被广泛使用，本文以某燃机余热锅炉SCR脱硝工程为案例介绍了CFD数值模拟技术在脱硝工程中的实际运用，并在工程投产后对CFD关键评价指标进行复测，分析了偏差原因。
关键词 CFD；数值模拟；SCR；脱硝
1 概述
随着环保政策日趋严厉，工业烟气已普遍实施脱硫脱硝净化治理。SCR脱硝工艺因其技术成熟、脱硝效率高、系统运行稳定、可满足严格环保标准等特点被广泛使用[1]。SCR工艺中烟气流动情况直接影响到脱硝系统的运行效果，良好的NH3/NOx混合和速度均布是保证脱硝效率的前提，也是选用脱硝催化剂选型的重要依据。CFD（Computational Fluid Dynamics）數值模拟作为流场优化的设计辅助手段，被国内外大部分SCR系统供应商都在反应器设计工作中采用[2]。要验算SCR反应器的内部结构是否满足实际工程情况，需采用传统的物理冷态模型和计算流体力学技术（CFD）相结合的方法进行分析和优化[3-4]。
2 工程实例
某公司于2013年新建燃气—蒸汽联合循环发电项目，同步实施燃机余热锅炉脱硝，采用SCR脱硝工艺。该项目于2014年7月投产，燃机排气经脱硝处理后，满足现行国标《火电厂大气污染物排放标准（GB13223）》对于燃气轮机机组烟气排放要求。本项目设计燃气排气烟气量140000Nm3/h，排气温度377℃，排气原始NOx浓度650mg/Nm3，经SCR脱硝处理后，净烟气NOx浓度不超过120mg/Nm3，设计脱硝效率不低于81.5%。
本项目CFD数值模拟按照1：1的比例建立SCR反应器系统的原始模型[5]，入口边界为入余热锅炉口膨胀节，出口变为催化剂层下游1m（按烟气流向）。建模构件主要包括导流板、换热管屏、喷氨格栅、静态混合器、整流格栅、进出口烟道及其他部件等。CFD模拟三维模型如图1所示。
3 CFD数值模拟
本项目基于Fluent软件平台对余热锅炉前段及SCR脱硝装置进行三维模拟研究模拟，根据模拟结果优化了喷氨格栅、导流板及整流板的布置，并对催化剂进行选型，使得在燃机设计工况下达到均匀分布的目标：
（1）入口烟气流速相对标准偏差 <±15%
（2）NH3/NOx摩尔比相对标准偏差 <5%
（3）入口烟气流向 <±10°
（4）入口烟气温度偏差 <±10℃
经多次验算，按照流场设计目标值修改构件尺寸优化模型， CFD数值模拟优化结果见表2，并在实际工程设计中按优化结果进行了实施。
4 性能验证
为了验证项目前期所设计的CFD流场模拟的准确性，于2014年12月在工程现场进行了性能验证实验研究。测试结果见表3。
从测试结果可看出，现场复测的实验结果大致和CFD数值模拟结果基本一致。实际运行效果比CFD数值模拟结果略差。CFD数值模拟在建模中会作部分简化，以便于运算开展，可能造成模拟结果与实际工况存在一定偏差。本工程造成偏差的原因分析如下：
（1）反应器入口条件差异。在CFD数值模拟中假定膨胀节入口处烟气速度分布均匀，氮氧化物分布均匀。实际工程中，烟气入口条件较为复杂，速度场、浓度场本身可能不均匀，这是造成偏差的主要原因之一。
（2）反应器构件简化。数值模拟中导流板，混合器，整流格栅模拟时假设其单元厚度为零。实际工程中，构件厚度一般为5～8mm，由此会造成系统压损，速度场分布，浓度场分布偏差。
（3）工况波动。数值模拟中假定工况恒定，包括流速，喷氨浓度，温度等均为恒定，但实际运行中，以上参数都是时刻波动的，由此也会产生一定偏差。
5 结束语
随着SCR脱硝工艺不断应用，CFD技术本身也在不断发展，CFD数值模拟将在SCR脱硝设计起到重要指导作用。
参考文献
[1] 胡永锋，白永锋.SCR法烟气脱硝技术在火电厂的应用[J].节能技术，2007，25（142）：153-154.
[2] 杨超，张杰群，郭婷婷.SCR烟气脱硝装置烟气流场数值模拟[J].东北电力大学学报，2012，32（1）：66-70.
[3] 俞逾，杨晨，范莉.电厂SCR烟气脱硝系统流场的数值模拟[J].计算机仿真，2007，24（12）：222-225.
[4] 张如意，毕江涛，范莉.燃煤机组SCR脱硝系统的数值模拟[J].能源研究与利用，2012，（4）：30-32.
[5] 沈丹，李大梅，杨蕾.电厂SCR脱硝数值模拟技术研究进展[J].能源环境保护，2013，27（3）：10-13.