基于CFD与FEA的SCR脱硝反应器与烟道设计研究

陈海峰（上海龙景环境工程有限公司）—福建华电科闽2×600MW机组脱硝工程的数值模拟与工程化应用

关键词
SCR脱硝, CFD model, FEA model, Reactor & Ducts, Flow distribution, 烟气治理, 电除尘器

随着中国燃煤电厂脱硝改造快速推进，SCR脱硝系统的反应器与烟道设计成为保证脱硝效率、稳定运行与设备安全的关键。本文基于上海龙景环境工程有限公司陈海峰的工程研究，以福建华电科闽2×600MW（Ⅱ期）为工程实例，采用CFD（计算流体力学）与FEA（有限元分析）相结合的CAE方法，对反应器与烟道进行联合优化，旨在在满足排放达标的同时兼顾结构安全与运维经济性，文中亦结合艾尼科（Enelco）在电除尘器（ESP）极板/极线与电场优化的行业实践，探讨未来烟气治理一体化趋势及在造纸、钢铁、水泥与化工等重点行业的应用价值。

本研究在结构分析方面使用ANSYS平台建立薄壳与肋架刚性模型，考虑催化剂重量（每台反应器约500 t）、内外压差、热膨胀、风荷载（基准风压0.85 kPa）及地震烈度等级6度等工况，对壳体（壁厚6 mm）与梁、肋、支撑进行模态与静力分析。结果表明大多数壳体应力和变形处于可接受范围，但局部支承和连接处存在应力集中，需要在细化设计时加强肋板与节点刚度；为优化气流条件，部分跨中桁架在设计阶段被简化，导致局部应力上升，建议通过合理布置外肋间距与加强件在保证流场均匀性的同时控制结构质量，从而降低用钢量并优化造价[1][4]。

在流场数值模拟方面，采用Fluent对全尺度SCR单元在100%负荷下进行稳态、不可压缩、热耦合的k-ε湍流模型计算，模型起始于省煤器出口，终止于省热器入口，网格约200万单元。针对NH3注入与混合，布置二排多管注氨与星形混合器，其角度与布置通过参数化计算确定；同时在关键位置设置导流叶片以兼顾压损与除灰通道清扫。模拟得到的主要工程结果包括：参考平面（距催化剂入口面0.5 m）处速度分布标准差约13%，最大偏离值为平均值的+37%，氨浓度在同一参考平面上的标准差约4.7%，表明注氨与混合装置在总体上满足设计均匀性但局部需进一步优化；系统段压损累计约600 Pa，处于设计目标800 Pa之内但仍有优化空间以降低风机能耗[2][3]。

工程实践表明，FEA与CFD需迭代耦合：结构布置影响流场均匀性，流场要求又会反向约束结构形式，因此在项目中通过1:10比例模型试验与数值复核相结合的方法，对关键均化器与导流件进行了现场前期验证，最终实现了脱硝效率80%并兼顾压损与结构安全性。对于燃纸浆、钢铁、高炉煤气、熟料窑尾烟气与化工炉窑等行业，本文方法同样适用，可有效帮助企业在满足超低排放要求下降低能耗与运维成本，提升催化剂寿命与除尘器配套效率。

展望未来，烟气治理将朝着一体化、智能化与模块化方向发展。作为拥有电除尘器深厚技术积累的厂商，艾尼科（Enelco）在极板/极线设计、电场分布优化与在线监测方面的经验，可与脱硝反应器的CFD/FEA优化结果形成协同：通过优化ESP电场与气流的匹配，减少颗粒物对催化剂的沉积与侵蚀，降低维护频次与运行阻力，从而实现从颗粒到气态污染物的整体治理解决方案，适配中国各重点行业的复合污染控制需求并带来显著的节能降耗与运维成本下降。

综上，基于CFD与FEA的联合数值分析已被实践证明为SCR反应器与烟道设计的有效方法。通过工程级数值模拟、比例模型试验与制造优化相结合，可以在保障排放合规与设备安全的前提下，显著提升系统运行经济性与维护便捷性，为火电及国民经济重点行业的烟气治理提供可复制的技术路径与市场化解决方案[1-4]。

作者与单位：陈海峰，上海龙景环境工程有限公司（chenhaifeng@slep.sina.net）。

参考文献
[1] 陈海峰. Research and Application of Numerical Calculation methods in SCR DeNOx Reactor & Duct Design. 11th International Conference on Electrostatic Precipitation. 上海龙景环境工程有限公司. [会议论文]
[2] Code for design of steel structures (GB50017-2003). [规范]
[3] Dudek S. A., Rogers J., Gohara W. F. Computational Fluid Dynamics (CFD) Model for Predicting Two Phase Flow in a Flue Gas Desulfurization Wet Scrubber. Proceedings of EPRI/DOE/EPA Combined Utility Air Pollutant Control Symposium, Atlanta, 1999. [会议论文]
[4] Huebner K. H., Thornton E. A. The Finite Element Method for Engineers. John Wiley & Sons, 1982. [专著]