导流板影响SCR脱硝烟道气动性能数值研究

陆华伟，，， ，科伟

(1.大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2.北京国电龙源环保工程有限公司，北京 100039)

近年来，随着我国环保标准的提高，对燃煤电厂烟气脱硝技术提出了新的挑战[1-2]。选择性催化还原技术(SCR)由于脱硝效率高，适应性强等特点被广泛应用在电厂锅炉中[3-4]。从气动流场角度考虑，对脱硝效率影响最大的因素是反应器内烟气速度场和浓度场的均匀性，其中烟气速度分布较差不仅会加速催化剂的磨损，降低其寿命，还会影响烟气和氨的混合效果，从而导致脱硝效率的下降和氨逃逸率的升高[5-6]，因此研究烟气流场的均匀性对整个SCR脱硝系统具有重要的意义。

烟气脱硝系统在进行设计或改造时需要对缩比模型进行物理实验，用以检验脱硝烟道的气动性能是否满足工程要求，但考虑到数值模拟具有时间短、经济性好、灵活性强等特点，越来越多的研究人员开始用数值软件来完成烟道的设计。董建勋[7]建立了SCR脱硝反应器冷态流动和混合技术试验装置，对不同均流装置进行了试验研究，并分析了烟气反应物浓度分布不均匀对脱硝性能的影响；沈丹[8]等、周健[9]等通过改变反应器上游导流板形态以及陈连芳[10]等通过设计优化入口折转弯道部分的导流部件，分别获得了各自最佳的导流板布置结果，减轻了反应器入口速度分布不均现象；毛剑宏[11]等分别研究了变截面烟道内等角度和变角度两种导流板布置方式对流场的影响，改善了AIG入口的速度分布；李德波[12]等通过改变整流格栅上游两个弯转部分的导流板长度和数量，减小了AIG和催化剂入口的标准偏差系数；汪洋等[13]改变格栅板间距、长度及角度，获得了格栅结构参数对气动流场的影响规律；杨松[14]等以及张志文[15]等通过综合加装导流板与格栅的方法，优化了烟道流场分布。

由以上可以看出，国内各高校及工程人员主要针对导流板、整流格栅等均流结构进行研究，以此改变反应器气动流场分布。本文即是以300 MW电厂SCR脱硝烟道为研究对象进行的冷态流场数值模拟，计算结果对该系统的设计或改造具有一定指导意义。

1 几何模型及网格划分

采用UG 5.0按实际尺寸1∶10进行建模，坐标系选择如下：烟气从省煤器流向反应器方向为正X轴，垂直向上为正Y轴，以SCR烟道出口所在平面为Y=0，其中烟道总高Y=2.66 m，两个90°弯道导流板采用直弧直型，喷氨系统为大直径喷孔搭配涡流混合器方式，反应器上游设有整流格栅。选用Fluent前处理软件Gambit分区生成结构化与非结构化网格，并对喷氨系统、导流板和格栅区域进行局部网格加密，最终网格数量约为240万，并通过质量检查，整个烟道模型与网格如图1所示。

图1 几何模型与网格示意图1-扩张流道;2-导流板①;3-喷氨系统;4-导流板②;5-倾斜流道;6-整流格栅;7-催化剂

2 数学模型及边界条件

由于本文只研究烟气速度分布情况，未涉及化学反应，并且考虑到计算成本与数值模拟的局限性，因此对SCR脱硝实际过程作出如下简单假设：(1)烟气各组分和氨的混合气均为理想气体；(2)烟气物性参数为常数，流动为定常的；(3)不考虑烟气中灰分的影响；(4)整个SCR烟道是绝热的。选取的湍流模型为标准k-ε模型，基于压力求解器SIMPLE算法，对流差分格式采用二阶迎风；选取组分输运模型模拟烟气与氨的混合；采用多孔介质模型模拟催化剂结构，并仅对第一层催化剂进行模拟；烟道进出口边界条件选压力进出口，6个喷氨孔为速度进口；反应器、导流板和整流格栅表面均设置为壁面边界，无热传导，无滑移[16]。

采用总压损失系数判别烟道截面损失，定义如式(1)

(1)

P*——截面总压;

3 计算结果分析

3.1 原始流场分析

本文以进口速度4.7 m/s为设计工况进行模拟，得到原始流场计算结果如下。

从整体上看，涡流混合器的驻涡效果及整流格栅的均流作用都比较明显，烟气流经催化剂有明显的损失(图2(a))。图2(b)显示，入口段扩张流道下侧及导流板①折转区域右侧的烟气速度都比相反侧高，这是因为烟气在急转弯道受较大离心力，导致其大部分都靠近烟道外侧流动，并且此处局部损失小。同理，在格栅上游倾斜流道内也遵循相同的流动准则，导致了反应器入口烟气速度呈左低右高现象。

图2 截面Z=0.5 m损失和速度云图

从局部分析，如图3(a)～(c)所示，扩张流道内的烟气速度不仅在Y向存在较大梯度，Z向分布也较差，由于几何形状的不对称，扩张流道中间截面1及出口截面2的右下部分存在明显低速区，并且这种不均匀性在喷氨前截面3依然保持，催化剂中间位置存在明显的高速区(图3(d)黑框区域)。另外，从图4可以看到，扩张段低速部分的损失明显偏大，并且随着截面高度的增加(Y向)，烟气流动变得复杂，最后在扩张流道上壁面附近形成了大尺度旋涡，二次流损失较大。

图3 各截面速度云图

图4 扩张流道内截面流线和损失云图

为了更加直观分析烟道结构的合理性，选取相对均方根标准作为判断流场速度均匀性的依据，其定义如下

(2)

(3)

式中σ——标准偏差;

n——测点数;

xi——i点速度;

▽——平均速度;

Cv——速度标准偏差系数。

Cv越小表明速度均匀性越好，目前一般工程设计要求催化剂入口Cv<±15%。本文监测点分布及各截面速度偏差系数如表1。

表1 监测点分布和截面Cv

由表1可知，截面2的速度均匀性最差，导流板①较大程度改善了烟气分布。然而由于喷氨系统涡流混合器的存在，导致截面4的Cv再次增大，之后经竖直烟道掺混及格栅均流，催化剂入口Cv恰好达到设计要求，但考虑工况变化及其他因素影响，需进行优化。

综上考虑，得到反应器内速度均匀性较差的主要原因有两方面，其一：烟气在弯道部分受较大离心作用，造成反应器右侧速度高；其二：受入口段扩张流道影响，烟气在Z向流动不均，导致催化剂入口中间速度较高。

3.2 扩张流道导流板对速度场的影响分析

3.2.1 布置方案

由上述分析，反应器中间速度高是由烟道入口段扩张流道引起。因此，针对烟气流动规律，在两个扩张流道内分别增加直导流板，如图5所示。其中，所有方案的第1、2、3块导流板布置相同，与正Z轴之间的夹角分别为75°、60°、45°，第二个扩张流道内导流板与正Z轴的角度如表2所示。

图5 扩张流道内导流板布置

表2 导流板角度分布

3.3.2 计算结果分析

由图6可见，导流板的分流效果明显，烟气能够较好地沿着流道扩张方向流动，速度分布得到显著改善，尤其从图6(a)、(b)两个截面可以清晰看到，各改进方案大Z部分低速区减小很多，由于扩张流道上壁面区域烟气少且存在旋涡流动，因此90%H截面的导流效果并不明显(图6(c))。另外，垂直烟气流向截面的速度云图显示(图6(d)、(e))，低速区减小，高速区下移，均匀性得到不同程度提高。由图6(f)可知，扩张流道导流板对催化剂入口烟气速度分布同样有所优化，中间高速区大幅度减少，且略向上偏移，其中Case 2效果最好。

图6 烟道各截面速度云图

图7为各截面总压损失和流线分布。对比发现，虽然导流板改变了烟气流动方向，使损失在Z向有所均化，但在导流板下游区域形成了局部高损失区，造成总体损失有所增加(图7(a)～(c))。同时，由图7(c)～(e)可以看到，导流板对扩张流道内大尺度涡的形成具有明显抑制作用，将其有效地控制在最下侧导流板附近。

图7 扩张流道截面损失和流线图

由上述分析可知，导流板会使烟道损失增大，如果实际运行中SCR系统产生的压损太大，则会增加烟道出口风机的出力，从而降低脱硝系统的经济性和安全性，因此有必要控制损失大小。表3为以上各方案扩张流道损失及截面2、截面6的速度偏差系数。首先可以发现，扩张流道损失虽然有所增加，但相对其对下游流场的作用来说，必要的损失是可承受的。其次，随着导流板增多，扩张流道出口截面2的Cv明显减小，可知导流板在改善扩张段流场方面效果显著，而催化剂入口截面6的Cv逐渐增大，但变化并不明显，由此可知造成反应器速度分布差的主要因素是右侧高速区。最后，由前面图6(f)可以发现，在改善反应器中间高速区方面Case 2效果最好，然而表3显示Case 1的Cv最小，分析其原因是由于导流板对反应器右侧高速区产生了极其微小的变化。因为本文仅针对中间高速区进行改善，综合考虑，Case 2优化效果最好。

表3 扩张流道损失和速度偏差系数

4 结论

本文通过对SCR脱硝烟道的气动流场数值研究，得出如下结论：

(1)催化剂入口的速度均匀性虽然满足工程要求，但相对较差，主要原因是：(a)入口段扩张流道引起烟气Z向分布不均，造成反应器中间出现高速区；(b)在弯道部分烟气受到离心作用，导致反应器右侧速度高；

(2)导流板虽然增大了流动损失，但却能有效改善扩张流道内烟气流场分布，抑制了大尺度涡的影响，减小了反应器中间高速区，降低了催化剂磨损的不均匀度，因此优化方案是可取的，其中Case 2效果最佳；

(3)导致反应器内速度均匀性差的最主要因素是右侧高速烟气，而中间高速区影响并不明显，因此下一步需针对右侧高速区进行优化。

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