王漢青，易檢長，李端茹，李 燦，寇廣孝，劉暢榮，葉明強(qiáng)，李 軍，劉 華

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南 長沙 410000）

SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板優(yōu)化設(shè)置的數(shù)值模擬

王漢青1，易檢長1，李端茹1，李 燦1，寇廣孝1，劉暢榮1，葉明強(qiáng)2，李 軍2，劉 華2

（1. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2. 湖南凱天環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，湖南 長沙 410000）

根據(jù)某電廠SCR脫硝裝置氣流均勻性的設(shè)計(jì)要求，按1:1比例建立三維模型，劃分網(wǎng)格后進(jìn)行CFD仿真模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對比分析了速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大煙氣入射角度、溫度最大絕對偏差、氨氮物質(zhì)的量之比、系統(tǒng)壓損5個參數(shù)，研究了關(guān)鍵位置導(dǎo)流板的優(yōu)化設(shè)置規(guī)律。結(jié)果表明，在整個SCR脫硝裝置煙道系統(tǒng)中，煙道入口處宜設(shè)置等間距導(dǎo)流板，以使氣流均勻進(jìn)入后部管道；煙道系統(tǒng)中任何有變徑或變向的煙道均宜設(shè)置導(dǎo)流板，以防止氣流偏向某一方；距離反應(yīng)器最近處的煙道外形、導(dǎo)流板尺寸對氣流均勻性影響最大；在反應(yīng)器頂部加設(shè)干擾氣流的小圓管，對改善局部區(qū)域氣流均勻性有一定作用。

脫硝；仿真模擬；導(dǎo)流板；選擇性催化還原法

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的飛速發(fā)展和人們對周邊環(huán)境要求的不斷提高，燃煤電廠所產(chǎn)生的尾氣中的氮氧化物的處理成為各環(huán)保部門討論的熱點(diǎn)問題[1]。在現(xiàn)有的多種燃煤煙氣氮氧化物治理技術(shù)中，選擇性催化還原法（selective catalytic reduction，SCR）脫硝技術(shù)以其脫硝效率高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)而在大型燃煤電廠獲得了廣泛的應(yīng)用。為了提高系統(tǒng)脫硝效率，可以在系統(tǒng)中設(shè)置導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器及整流格柵等設(shè)備，這些設(shè)備能促使煙氣與氨混合均勻。其中，導(dǎo)流板的形狀與布置方式對于調(diào)節(jié)脫硝系統(tǒng)內(nèi)流場分布具有重要作用。

計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD），是預(yù)測流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)及其他相關(guān)物理現(xiàn)象的一門學(xué)科。由于CFD方法具有減少成本昂貴的實(shí)驗(yàn)工作量，成本低且能模擬較復(fù)雜或較理想的過程等優(yōu)點(diǎn)，因而在概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)等中具有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為物理試驗(yàn)的補(bǔ)充，但更節(jié)省費(fèi)用和人力。因此，本文擬使用CFD仿真方法，分析廣州某電廠300 MW機(jī)組脫硝裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化問題。該電廠的脫硝工程至少滿足以下5個基本要求：

a）入口煙氣流速偏差，即指第一層（首層）催化劑入口煙氣速度分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，應(yīng)小于±15%；

b）入口煙氣流向偏差，即指第一層催化劑入口煙氣流向與催化劑橫截面垂直方向的夾角，應(yīng)小于±10°；

c）入口煙氣溫度偏差，即指第一層催化劑入口煙氣溫度分布的絕對偏差，應(yīng)小于±10℃；

d）NH3與NOx的物質(zhì)的量之比偏差，即指第一層催化劑入口處NH3與NOx物質(zhì)的量之比分布的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，應(yīng)小于5%；

e）系統(tǒng)壓損，即從脫硝裝置入口處到出口處之間的系統(tǒng)壓力損失，在性能考核試驗(yàn)時(shí)不大于500 Pa（不考慮催化劑阻力）。

為了達(dá)到上述設(shè)計(jì)要求，本研究通過改變導(dǎo)流板的設(shè)置處理，模擬了4種脫硝系統(tǒng)內(nèi)流場分布方案，通過對比分析，得出了導(dǎo)流板的設(shè)置規(guī)律，并找到了符合要求的設(shè)計(jì)方案。

1 物理模型及網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行SCR脫硝系統(tǒng)CFD仿真模擬前，通過AutoCAD按照1:1比例建立其三維物理模型，并用Gambit 2.4進(jìn)行布爾處理。所建立模型的長寬高尺寸為16.0 m×10.2 m×21.8 m，從煙道入口至出口最多設(shè)置9處導(dǎo)流板組，氨管上設(shè)置3排共36個噴氨嘴，整流器采用底為方形150 mm×150 mm，高為300 mm的規(guī)格。反應(yīng)器內(nèi)采用3個催化層，規(guī)格為4.1 m× 4.0 m。其中，靜態(tài)混合器與反應(yīng)器頂端混合圓管根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行調(diào)整設(shè)置。具體的脫硝系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

圖1 脫硝系統(tǒng)三維模型Fig.1 3D model of the SCR denitration system

對于脫硝系統(tǒng)模型的網(wǎng)格劃分，采用ANSYS14.0中ICEM進(jìn)行，整個模型網(wǎng)格由結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格組成，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到2 100萬，如圖2所示。其中，反應(yīng)器以前部分和反應(yīng)器之后部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，反應(yīng)器內(nèi)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

圖2 脫硝系統(tǒng)網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of the SCR denitration system

2 數(shù)學(xué)模型

模擬SCR煙氣脫硝過程比較復(fù)雜，不僅涉及反應(yīng)器復(fù)雜的幾何形狀、多種導(dǎo)流板、靜態(tài)混合器、整流器及反應(yīng)器內(nèi)的復(fù)雜氣流分布等因素的影響，還受到煙氣與氨氣在煙道和反應(yīng)器里面的湍流流動、重力、以及各流體介質(zhì)之間傳熱傳質(zhì)和多組分輸運(yùn)等因素的影響。故在CFD仿真模擬時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)湍流流動模擬選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，并考慮浮升力的影響，煙氣與氨氣混合的模擬選取多組分輸運(yùn)模型，催化劑的結(jié)構(gòu)模擬選取多孔介質(zhì)模型。

2.1 化學(xué)反應(yīng)基本原理

SCR的反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，主要是NH3在催化劑的作用下與煙氣中的NO進(jìn)行反應(yīng)，從而達(dá)到脫除NOx的目的。一般情況下，煙氣中的NOx主要為NO和NO2，但煙氣中NO2的成分僅約為混合氣體體積總量的5%，工程上一般可忽略不計(jì)，因此，本文采用的主要反應(yīng)方程式為式（1）[2]：

2.2 控制方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，假設(shè)在脫硝過程中，氣體密度不變時(shí)，可以推導(dǎo)出連續(xù)性方程，如式（2）[3]：

式中：ui為i方向的速度;

xi為i方向的坐標(biāo)x。

動量方程如式（3）：

uj為j方向的速度；

P為單位體積內(nèi)流體的總實(shí)際動量；

Fi為由熱源引起的源項(xiàng)；

除雷諾方程之外，根據(jù)能量守恒條件及對流、傳導(dǎo)及內(nèi)熱源放（吸）熱情況，可以得到溫度T的能量守恒方程，如式（4）：

式中：為時(shí)間；

u為速度；

T為溫度；

Kc為溫度擴(kuò)散系數(shù)；

qT為流體內(nèi)部熱源的單位體積發(fā)熱量；

Cp為定壓比熱容。

2.3 湍流模型

選用標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模型，其表達(dá)式如式（5）和式（6）所示[3]：

式（5）和（6）中：k為紊流能量；

t 為紊流；

Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；

2.4 多孔介質(zhì)模型

催化劑是SCR的核心，蜂窩式和板式是其常用結(jié)構(gòu)。對于蜂窩形狀的催化劑床層，如果在數(shù)值模擬中如實(shí)構(gòu)造蜂窩形狀的催化劑床，則當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將達(dá)到上千萬的網(wǎng)格體，因而會受到計(jì)算機(jī)條件的制約。因此，本研究中將催化劑床建模為多孔介質(zhì)區(qū)域[4]。

多孔介質(zhì)的動量方程具有附加的動量源項(xiàng)，該源項(xiàng)由兩部分組成：一部分模型阻力公式為黏性損失項(xiàng)，另一部分是內(nèi)部損失項(xiàng)[5]。

對于簡單的均勻多孔介質(zhì)，其表達(dá)式如式（7）：

C2為壓力跳躍系數(shù)；

v為y方向上的分速度；

Δm為氣流分布板厚度。

2.5 組分輸運(yùn)方程

由于選擇性催化還原的流動介質(zhì)有煙氣和氨氣，而且煙氣中也有多種物質(zhì)，涉及到要考慮流動中物質(zhì)的混合情況，因此，采用混合物的物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬，其能量守恒方程采用式（8）：

J為某量通過控制容積面流通面的流通量密度。

2.6 邊界條件設(shè)置

在上面建立的模型中，煙道入口、噴嘴設(shè)置為速度入口（velocity-inlet），煙道出口設(shè)置為壓力出流（pressure-outlet），所有的Wall采用無滑移邊界條件，具體參數(shù)如表1所示[6]。

表1 邊界條件設(shè)置Table 1 Boundary conditions setting

表1中，煙道入口煙氣中包括H2O, O2, NO, CO2，噴嘴氣體包括O2, NH3。

3 模擬結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 模擬方案設(shè)置

通過調(diào)整導(dǎo)流板組和靜態(tài)混合器等內(nèi)部構(gòu)件和煙道外形，完成了對脫硝過程中氣流組織的規(guī)律研究。按照脫硝工程的4個基本要求，以下對其中4種仿真方案結(jié)果進(jìn)行對比分析。

在不同的方案中，脫硝系統(tǒng)煙道外形、導(dǎo)流板的設(shè)置組數(shù)、不同位置導(dǎo)流板的尺寸、反應(yīng)器頂端圓管設(shè)置及靜態(tài)混合器設(shè)置均不同，具體見表2。

表2 各方案內(nèi)部構(gòu)件設(shè)置表Table 2 The setting table for each project internal component

在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器處煙道外形尺寸、導(dǎo)流板尺寸、是否設(shè)置干擾圓管均會直接影響模擬結(jié)果，各方案中，反應(yīng)器上端處煙道外形尺寸及導(dǎo)流板、圓管設(shè)置詳見圖3。

圖3 反應(yīng)器處煙道外形尺寸、導(dǎo)流板、圓管設(shè)置Fig.3 Reactor flue dimensions, guide plate and tube set

圖3中：方案1未對煙道外形作變化，僅在反應(yīng)器上部加一處導(dǎo)流板，分別為8塊直板加4塊弧形板，且不設(shè)置圓管，尺寸如圖3a所示（圖中尺寸單位均為mm）；方案2中反應(yīng)器處煙道由原來的弧形變成直板形，反應(yīng)器上部加一處導(dǎo)流板，分別為4塊直板，整流格柵距離反應(yīng)器橫向煙道下邊300 mm，具體尺寸如圖3b所示，也不設(shè)置圓管；方案3中煙道外形尺寸及導(dǎo)流板布置與方案2相同，只是對導(dǎo)流板角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，具體尺寸如圖3c所示，但在頂管煙道處加設(shè)干擾圓管。

3.2 各方案模擬結(jié)果與分析

1）首層催化劑表面的煙氣速度。模擬所得各方案首層催化劑表面煙氣速度大小分布云圖如圖4所示。

圖4 各方案下首層催化劑表面煙氣速度大小分布云圖Fig.4 The surface air velocity contour of the first layer catalyst for each scheme

由圖4可知：原始方案中首層催化劑表面的煙氣速度分布極不均勻，呈中間大兩邊小的分布狀態(tài)，且變化幅度較大；方案1中首層催化劑表面煙氣速度從左至右由4.5 m/s變大到6.5 m/s再變小到4.5 m/s，且變化幅度較原始方案?。环桨?中首層催化劑表面煙氣速度從左至右逐漸變大，變化幅度與方案1基本一致；方案3中首層催化劑表面速度分布相對較均勻，偏差小于5%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2）首層催化劑表面的煙氣入射角。模擬所得各方案首層催化劑表面煙氣入射角分布云圖如圖5所示。

圖5 各方案下首層催化劑表面煙氣入射角分布云圖Fig.5 The surface air incident angle contour of the first layer catalyst for each scheme

從圖5中可以看出：原始方案的反應(yīng)器內(nèi)首層催化劑表面煙氣入射角度最大，達(dá)到45°，并且極其不均勻；方案1在入口處未設(shè)置導(dǎo)流板，導(dǎo)致煙氣較為集中地進(jìn)入反應(yīng)器，因而出現(xiàn)了兩極分化，左邊極小部分煙氣入射角度控制在16°以內(nèi)，右邊大部分煙氣入射角度分布非常均勻；方案2不僅加設(shè)了導(dǎo)流板1，并且改變了催化劑層上部煙道外形尺寸以及導(dǎo)流板5的尺寸設(shè)計(jì)，導(dǎo)致氣流進(jìn)行了重新分布，但是仍有極小部分超出入射角的誤差要求；方案3在變徑處加設(shè)了導(dǎo)流板2，并且對導(dǎo)流板5進(jìn)行了微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了將右邊氣流分流到左邊，同時(shí)加設(shè)了干擾圓管，使得氣流分布更加均勻，首層催化劑表面的煙氣入射角度基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3） 首層催化劑表面的煙氣溫度。模擬所得4種方案下的首層催化劑表面煙氣溫度分布云圖如圖6所示。

從圖6中可以看出，各模擬方案中反應(yīng)器內(nèi)首層催化劑表面的煙氣溫度變化都不太明顯，表面煙氣最高溫度與最低溫度之差均不超過5℃，顯然達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 各方案下首層催化劑表面溫度分布Fig.6 The surface temperature distribution of the first layer catalyst for each scheme

4）首層催化劑表面NH3與NO物質(zhì)的量之比。各方案中首層催化劑表面的NH3與NO物質(zhì)的量之比如圖7所示。

圖7 3個方案首層催化劑表面NH3/NO物質(zhì)的量之比Fig.7 The NH3/NO ratios of the first layer catalyst for three schemes

從圖7中可以看出，方案1、方案2和方案3中首層催化劑表面NH3與NOx物質(zhì)的量之比均呈現(xiàn)出逐漸均勻的變化趨勢，且以方案3最優(yōu)。

3.3 變量統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)以上4個方面的模擬數(shù)據(jù)，對各方案中首層催化劑前煙氣速度分布CV值、最大煙氣入射角、煙氣溫度最大絕對偏差、氨氮摩爾比率CV值分布及整個系統(tǒng)壓力損失進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得結(jié)果如圖8～10所示。圖中橫坐標(biāo)1～5分別表示原始方案、方案1～方案3和工程標(biāo)準(zhǔn)，并且圖中速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值、煙氣最大入射角、溫度最大絕對偏差、NH3與NOx比率CV值均為首層催化劑前截面上的數(shù)值，系統(tǒng)壓損不考慮催化劑層阻力。

圖8 速度CV值與NH3/NOx比率CV值Fig.8 The velocity CV and theNH3/NOxratio of CV

由圖8 可知，原始方案的速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值為36%，超出工程標(biāo)準(zhǔn)15%的要求，方案1～3均達(dá)到工程要求，均不超過15%，相較而言，方案1和3較好；就NH3/NOx比率CV值而言，原始方案為9%、方案1為7%、方案2為6%，均超出工程標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，方案3小于5%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 最大煙氣入射角度與溫度最大絕對偏差Fig.9 The max incident angle and the maximum temperature absolute deviation

由圖9 可知，所有方案的溫度最大絕對偏差均滿足工程標(biāo)準(zhǔn)要求（10℃以內(nèi)）；但原始方案的最大煙氣入射角為45°、方案1的最大煙氣入射角為13°，方案2的最大煙氣入射角為15°，均超出工程標(biāo)準(zhǔn)（10°）要求，僅方案3的最大煙氣入射角小于10°，符合設(shè)計(jì)要求。

圖10 系統(tǒng)壓損Fig.10 Pressure loss of the system

由圖10可知，方案1和方案2的系統(tǒng)壓損分別為1 300 Pa和1 250 Pa，均超出工程標(biāo)準(zhǔn)要求（500 Pa），而方案3的系統(tǒng)壓損為220 Pa左右，達(dá)到工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上分析表明，方案3中首層催化劑前速度分布CV值、最大煙氣入射角、溫度最大絕對偏差、氨氮摩爾比率CV值分布及系統(tǒng)壓力損失等5項(xiàng)參數(shù)均符合工程設(shè)計(jì)要求。模擬過程中發(fā)現(xiàn)，在整個煙道系統(tǒng)中，煙道入口處和任何有變徑或變向的煙道位置均宜設(shè)置導(dǎo)流板，特別是距離反應(yīng)器最近處的導(dǎo)流板，對結(jié)果的影響最大。同時(shí)，在反應(yīng)器頂部加設(shè)干擾氣流的小圓管，也可以起到一定效果。

4 結(jié)論

通過本文分析對比，為了實(shí)現(xiàn)SCR反應(yīng)器氣流均勻性條件，必須合理設(shè)置導(dǎo)流板及其它輔助構(gòu)件，并發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1）在整個煙道系統(tǒng)中，煙道入口處宜設(shè)置等間距導(dǎo)流板，以使氣流均勻進(jìn)入后部流域；

2）在整個煙道系統(tǒng)中，任何有變徑或變向的煙道均宜設(shè)置導(dǎo)流板，以防止氣流偏向一方；

3）距離反應(yīng)器最近處的煙道外形、導(dǎo)流板尺寸對均勻性影響最大；

4）在反應(yīng)器頂部加設(shè)干擾氣流的小圓管，能夠明顯改善局部氣流的均勻性。

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（責(zé)任編輯：廖友媛）

Numerical Simulation of Guide Plate Optimization Setting of Selective Catalytic Reduction Denitrification System

Wang Hanqing1，Yi Jianchang1，Li Duanru1，Li Can1，Kou Guangxiao1，Liu Changrong1，Ye Mingqiang2，Li Jun2，Liu Hua2
（1. School of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. Hunan Kaitian Environmental Protection Technology Co., Ltd.，Changsha 410000，China）

According to the design requirement of airflow uniformity of SCR denitration device in a power plant, established a three-dimensional model with a ratio of 1:1 and simulatedwith CFD after meshing. On the basis of the simulation result, contrasted and analyzed five parameters of speed relative standard deviation, the max flue gas incident angle, the temperaturemaximum absolute deviation, the molar ratio of NH3/NO and the systempressure loss, and investigated the guide plate optimal setting rule in the key positions. The results showed that in the SCR denitration system, it is necessary to set the equidistant guide plate at the flue entrance for uniform airflow into rear pipe, and the guide plates should also be set at the appropriate positions with reducing and changing direction to prevent the gas flow to one side. The guide plate size and the flue pipe shape nearest to the reactor have the most impact on the airflow uniformity. Installing the little pipe on the reactor top would improve local position air uniformity.

denitration；numerical simulation；guide plate；SCR

X701

A

1673-9833(2015)02-0001-07

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.001

2015-01-02

湖南省自然科學(xué)-株洲聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（12JJ8019），湖南省研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX2013B411）

王漢青（1963-），男，湖南益陽人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事室內(nèi)空氣品質(zhì)計(jì)算機(jī)仿真與建筑環(huán)境與設(shè)備節(jié)能技術(shù)方面的研究，E-mail：hqwang2011@126.com