CFD软件在环保行业仿真分析的解决方案

一、 环保行业CFD仿真的必要性

近年来，虽然我国经济发展加速了城市化建设，但随之也给环境造成了诸多负面影响。国内雾霾天气频发，二氧化硫（SO₂）、氮氧化物（NOx）、粉尘（PM）、气溶胶及PM2.5污染物成为了政府和百姓关注的焦点，其中认为以燃煤为主的火力发电厂、工业燃煤锅炉为雾霾的元凶。

针对此状况，地方、国家政府及环保部门出台了“史上最严”的环保标准，明确要求火力发电厂的烟气污染物排放浓度达到燃气机组排放的“超低排放”标准，即二氧化硫小于35mg/Nm³，氮氧化物小于50mg/Nm³，颗粒物小于5mg/Nm³。

我国烟气治理环保技术由国外引进，通过十几年的消化吸收，在核心技术研发、设计及运行实施上积累了不少经验，形成了一套成熟的污染物治理技术，但鲜有达到“超低排放”要求的工程案例，究其原因主要是我国对环保设备设计的要求不高，未重视环保设备流场偏流、污染物逃逸的影响。而在国外，日本、美国等环保企业早就开始采用CFD技术研究环保设备的流场分布与污染物的脱除效率的关系，通过设置导流板、均流装置以及精细化设计措施等方式，已有达到超低排放的工程案例。鉴于此，国内环保企业逐渐认识CFD技术在环保设计中的重要性，或者说CFD技术是实现超低排放的重要手段之一。

二、 CFD在环保设计中的作用

1、高效精细化研发

传统的研发费时、费力、周期长，CFD技术可以将现实的实物模型实验搬到计算机上进行实施，一个是能大大缩短研究开发周期，提高工作效能；另一个是能1:1的建立三维模型，充分考虑环保设备中的内部件对流场的影响；另外，通过CFD技术能通过分析各个截面的流场分布值，实现定量精细化的研究。

2、消除污染逃逸

传统设计一般参照国家标准或业内行规进行设计，并假设污染物在设备中是理想均匀的分布，但实际情况不然，污染物在设备中分布有高、有低，高浓度区域设计措施不够则会发生逃逸，会出现设备排放的污染物浓度不降反而增大的问题。采用CFD技术，能让吸收剂与污染物均匀混合，或采用强制均流装置使污染物与吸收剂分布匹配，例如湿法脱硫中的托盘技术、管式除尘技术。

3、提高去除效率

采用CFD技术能提高吸收剂与污染物的混合程度或提高污染物在设备中的均匀度。例如在脱硝CFD技术中，催化剂上游的速度分布小于15%时，脱硝效率可以大于85%；若速度分布能小于10%，则脱硝效率可以大于90%。

4、优化阻力损失

通过在烟道、环保设备中增加如导流板、多孔板、整理格栅等均流设备，能消除设备中的高速区，降低设备阻力，从而达到节能降耗的目的。

5、节约材料

传统的设计中往往只能通过增加设备的设计余量来保证去除效率，致使体积大、钢材用量大的设备比比皆是。在CFD技术的支持下，能在保证设备性能的前提下，降低钢材用量，减少设备尺寸，实现设备的小型化。

6、提高系统运行的稳定性

火力发电厂一般需要连续、稳定运行，需要配套的环保设备同样达到长期稳定运行的要求，但实际运行中由于烟道积灰、烟气负压增大、烟气流速过大影响系统故障，导致锅炉停机的现象时有发生。CFD技术能实现设备流体顺畅流动，让燃煤锅炉和环保净化岛可靠的运行。

三、ANSYS CFD软件在环保行业的解决方案

1、SCR脱硝系统内混合及气流均一性的问题

n  SCR烟道及反应器内的烟气流场分布问题

n  导流板的外形、位置、数量及布置问题

n  SCR系统烟气与氨的湍流混合问题

SCR脱硝系统内的烟道、反应器、导流板及喷氨系统均对脱硝系统内烟气流场及还原剂（NH3）与烟气的混合效果有影响，运用ANSYS软件，可以掌握烟气在脱硝系统内的实际流动情况，进而优化和调整SCR设计，保证烟气在SCR脱硝系统内均匀流动，确保其与还原剂充分混合，实现稳定高效的脱硝效果。

2、影响SNCR系统脱硝性能的问题

n  SNCR系统还原剂喷入点的选择问题

n  SNCR系统内烟气流场问题

n  SNCR系统内还原剂与烟气的混合问题

n  SNCR系统内喷入的还原剂与NOx的摩尔比问题

影响SNCR脱硝系统性能的因素有很多，如还原剂喷入点的选择、流场的分布，适当的NH3/NOx摩尔比等。ANSYS软件可以帮助分析影响SNCR系统性能设计和运行的主要因素，在保证较高脱硝效率的同时，避免由于氨的逃逸所引起的二次污染。

3、影响脱硫效率的设计及参数控制问题

n  脱硫塔内喷嘴的设计与布置问题

n  脱硫塔内喷淋管的设计与布置问题

n  脱硫塔入口烟道角度问题

n  脱硫塔内除雾器的设计问题

n  脱硫塔内的温度控制问题

n  循环浆液量的优化问题

n  烟气速度控制问题

脱硫塔设计的好坏会影响对整个湿法脱硫系统的脱硫性能及运行费用等。脱硫塔的设计和优化要考虑一系列的相关因素，包括烟气流速、压降、SO2脱除效率及脱硫塔几何结构等，通过CFD软件对脱硫过程的流场、温度场、压力场及浓度场进行仿真分析，可以控制优化这些参数，提高脱硫效率，降低能耗。