國華太倉發(fā)電有限公司四期2×600MW超臨界發(fā)電機(jī)組煙氣脫硝總承包工程，合同工期為1年，一臺以于2006年元月投產(chǎn)20日與主機(jī)一同通過168小時的考核運(yùn)行，另一臺2006年6月完成。工程選擇SCR作為煙氣脫硝技術(shù)，設(shè)計(jì)的脫硝效率≥90%，處理100%煙氣量，不設(shè)煙氣旁路裝置，脫硝反應(yīng)劑采用液氨。脫硝系統(tǒng)年運(yùn)行小時和設(shè)計(jì)壽命與對應(yīng)的主機(jī)一致，系統(tǒng)可用率≥95%。蘇源環(huán)保負(fù)責(zé)煙氣脫硝系統(tǒng)完整范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)、設(shè)備采購、制造及現(xiàn)場制作、施工安裝、調(diào)試、人員培訓(xùn)、現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)、指導(dǎo)監(jiān)督及整套系統(tǒng)的性能保證和售后服務(wù)等。

國華太倉發(fā)電廠2×600MW發(fā)電機(jī)組為新建機(jī)組，但由于在主體工程實(shí)施時未考慮煙氣脫硝裝置的布置細(xì)節(jié)，現(xiàn)場布置空間十分有限。圖1給出了煙道及反應(yīng)器的立面布置圖。

圖1 煙道及反應(yīng)器的立面布置圖

設(shè)計(jì)的脫硝系統(tǒng)主要由SCR反應(yīng)器、氨/空氣噴霧系統(tǒng)、SCR控制系統(tǒng)、SCR的吹灰和灰輸送系統(tǒng)組成。液氨由槽車運(yùn)送到液氨貯槽，輸出的液氨經(jīng)氨氣蒸發(fā)器后變成氨氣，將之加熱到常溫后送氨氣緩沖槽備用。緩沖槽的氨氣經(jīng)減壓后送入氨氣/空氣混合器中，與來自送風(fēng)機(jī)的空氣混合后，通過噴氨隔柵(Ammonia Injection Grid, AIG)之噴嘴噴入煙氣中并與之充分混合，繼而進(jìn)入催化反應(yīng)器。當(dāng)煙氣流經(jīng)催化反應(yīng)器的催化層時，氨氣和NOx在催化劑的作用下將NO及NO2還原成N2和H2O。

1 CFD模擬催化反應(yīng)器

催化反應(yīng)器是SCR系統(tǒng)最主要的部分，反應(yīng)器內(nèi)的工況（溫度、NH3/NOx、煙氣流場等）直接決定了脫硝效率。與常見的過程設(shè)備相比，其尺度大、受煙道布置局限性大等，并對速度、NH3/NOx、溫度及飛灰的負(fù)載分布提出了相當(dāng)苛刻的要求，這對化工過程設(shè)備的放大設(shè)計(jì)而言，是個全新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法只能給出一些定性的分析結(jié)果，而實(shí)驗(yàn)研究亦因設(shè)備尺度的問題受到限制。隨著近代力學(xué)及計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，對催化反應(yīng)器進(jìn)行全尺寸的數(shù)值模擬已成為可能。CFD工具的引入將有助于對催化反應(yīng)器內(nèi)的溫度場、濃度場、流體濃度壓力以及化學(xué)反應(yīng)過程的理解，給出一系列的定性定量分析結(jié)果，從而可以完善SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

針對太倉發(fā)電廠SCR反應(yīng)器現(xiàn)場布置空間十分有限的問題，充分發(fā)揮OI2-SCR核心技術(shù)的優(yōu)勢，對連接煙道的流體流動、混合擴(kuò)散及傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以獲取有益的參數(shù)為應(yīng)用于工程。首先建立計(jì)算用實(shí)體模型，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，分析中僅對實(shí)際模型的一半進(jìn)行了分析，圖2為與催化反應(yīng)器連接煙道（反應(yīng)器進(jìn)、出口段）內(nèi)流場分布圖。在工程中，合理的設(shè)置導(dǎo)流板，以期達(dá)到最佳的流場分布，為催化反應(yīng)提供充分的條件。

 圖2  催化反應(yīng)器內(nèi)煙氣流場分布

為提高SCR技術(shù)研究、設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行的效率，搭建靈活完善的SCR仿真平臺，依此構(gòu)成整個脫硝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，最后建立一套脫硝系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)；采用計(jì)算流體動力學(xué)軟件和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)軟件CHEMKIN的耦合，能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)及上下游管道的NOx的濃度分布進(jìn)行比較精確的模擬，為工程提供了準(zhǔn)確的技術(shù)支持。

由于煙氣、飛灰及氨在催化劑進(jìn)出口的分布的好壞直接影響著脫硝效率，因而SCR反應(yīng)器及其連接煙道、氨/空氣混合器(AIG)的布置及設(shè)計(jì)在整個SCR工程中占據(jù)著與催化劑幾乎同等重要的位置。借助CFD工具對SCR反應(yīng)器及其相關(guān)的煙道系統(tǒng)對的流體流動、傳熱傳質(zhì)、飛灰收集等進(jìn)行預(yù)測，將有助于設(shè)計(jì)更為合理的煙氣脫硝系統(tǒng)，并為系統(tǒng)調(diào)節(jié)建立理論依據(jù)，降低工程風(fēng)險。

2 CAE分析設(shè)計(jì)反應(yīng)器

太倉發(fā)電廠煙氣脫硝系統(tǒng)為現(xiàn)場改造，在現(xiàn)場重新構(gòu)建的支承框架不可能有非常充足的承載能力，利用的空間也是有限的。故要求反應(yīng)器作用在框架上的載荷應(yīng)盡可能的小，而且反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)也要緊湊。

CAE分析反應(yīng)器的目的是：通過計(jì)算反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力及變形等物理場量，給出各物理場量在整個反應(yīng)器上隨空間和時間的分布；保證反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性；為結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的優(yōu)化以及SCR系統(tǒng)的質(zhì)量評估提供科學(xué)依據(jù)。

CAE分析的步驟先是建立反應(yīng)器模型，然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再此基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算分析。由于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，幾何形狀不規(guī)則，板殼的厚度多變，所以自己定義單元尺寸的大小，而不完全采用智能網(wǎng)格劃分，以便于控制局部的細(xì)節(jié)。載荷施加是比較復(fù)雜的。要依據(jù)一定的順序施加外壓、自重、催化劑重量、風(fēng)載荷、地震載荷、溫度載荷，最后按現(xiàn)場條件施加約束。尤其注意的是，催化劑的承重梁與框架之間在水平方向可以相互滑動，在豎直方向則受到約束，二者之間在水平方向上有摩擦力相互作用。因此，在該處施加約束時應(yīng)特殊處理。

求解后可得到任意位置處的各向應(yīng)力、綜合應(yīng)力、各向變形及綜合變形，可以根據(jù)各自的準(zhǔn)則對反應(yīng)器進(jìn)行校核，再通過這些分析來達(dá)到反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖3為反應(yīng)器的綜合應(yīng)力云圖。

圖3  反應(yīng)器的綜合應(yīng)力云圖

同樣地，將優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和系統(tǒng)可靠性理論等應(yīng)用在空氣預(yù)熱器和引風(fēng)機(jī)的改造過程中。總之，將公司自主研發(fā)的OI2-SCR核心技術(shù)應(yīng)用于國華太倉發(fā)電廠脫硝工程中，實(shí)現(xiàn)了SCR反應(yīng)器最優(yōu)化和個性化設(shè)計(jì)，確保煙氣不需要加熱即可使催化反應(yīng)處于最佳反應(yīng)區(qū)，提高了脫硝效率，節(jié)約了能源。整個工程的造價低，僅為同行業(yè)的60%~70%。簡化了工作流程，將工期縮短一倍。