陳瑤姬，瞿煒?lè)?，劉寒梅，葛春?/p>

（1.浙江天地環(huán)?？萍加邢薰荆贾?311121；2.國(guó)電寧波燃料有限公司，浙江 寧波 315800）

SCR脫硝系統(tǒng)中不同形狀靜態(tài)混合器的流場(chǎng)研究

陳瑤姬1，瞿煒?lè)?，劉寒梅1，葛春亮1

（1.浙江天地環(huán)?？萍加邢薰荆贾?311121；2.國(guó)電寧波燃料有限公司，浙江 寧波 315800）

為提升SCR脫硝煙道進(jìn)口煙氣的流場(chǎng)均勻性，利用FLUENT軟件對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)中加裝不同形狀靜態(tài)混合器的流場(chǎng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)混合器可明顯改善進(jìn)入催化劑的煙氣NH3/NOX分布，但對(duì)速度場(chǎng)無(wú)明顯改善，且會(huì)增加系統(tǒng)阻力。圓形葉片靜態(tài)混合器對(duì)流場(chǎng)的影響優(yōu)于方形葉片靜態(tài)混合器，更適用于脫硝系統(tǒng)。

SCR；形狀；靜態(tài)混合器；流場(chǎng)

0 引言

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)SCR脫硝設(shè)備煙道進(jìn)口的煙氣速度場(chǎng)及成分濃度場(chǎng)分布是不均勻的[1-3]，一般采用在AIG（噴氨格柵）前面加裝多孔板來(lái)消除煙氣的速度偏差，但煙氣成分的濃度偏差（主要指NH3與NOX混合不均勻）難以用該設(shè)備消除，因此AIG到催化劑之間的煙道長(zhǎng)度必須足夠長(zhǎng)，才能保證足夠的煙氣擴(kuò)散、稀釋和混合時(shí)間。然而現(xiàn)有系統(tǒng)的煙道都較短，無(wú)法使NH3與NOX充分混合，使進(jìn)入催化劑的NH3/NOX（物質(zhì)的量比）均勻性不盡如人意。巴威公司提出了在AIG后面加裝靜態(tài)混合器的想法，但其認(rèn)為靜態(tài)混合器并不能促進(jìn)煙氣流動(dòng)均勻化，在其下游的煙氣流動(dòng)均勻性反而會(huì)變得更差。近年國(guó)內(nèi)也有學(xué)者對(duì)SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)的靜態(tài)混合器進(jìn)行了研究[4，5]，并認(rèn)為其可以改善SCR反應(yīng)器入口處的煙氣速度分布及NH3/NOX分布的均勻性。因此有必要研究在SCR脫硝裝置中加裝靜態(tài)混合器對(duì)流場(chǎng)的影響，這對(duì)靜態(tài)混合器是否能進(jìn)行工程應(yīng)用有著重要意義。

以下利用CFD軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬，研究加裝不同外形的靜態(tài)混合器后對(duì)阻力、煙氣流速分布及NOX與NH3混合情況，為實(shí)際的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和根據(jù)。

1 靜態(tài)混合器計(jì)算和設(shè)計(jì)

1.1 靜態(tài)混合器計(jì)算方法

圖1為SCR脫硝系統(tǒng)中的經(jīng)典煙道布置方式，其中將混合器布置于AIG上方（即煙氣下游）。

在經(jīng)典煙道布置中，往往需要在混合器下游的彎頭處加裝導(dǎo)流板以提高煙氣流場(chǎng)的均勻性，于是有效混合距離λm與下游直管段有效距離λd相等：

圖1 經(jīng)典SCR脫硝系統(tǒng)煙道布置

式中：Dh為煙道水力當(dāng)量直徑。

式中：∠V為導(dǎo)流板與煙氣流向的比值；B為混合器葉片近似投影阻擋面積百分比；TVA為所有導(dǎo)流板的面積之和與煙道截面積AD之比。

當(dāng)導(dǎo)流板為正方形或圓形時(shí)，于是計(jì)算導(dǎo)流板邊長(zhǎng)或直徑：

圖2 混合器尺寸示意

式中：N為導(dǎo)流板個(gè)數(shù)。個(gè)數(shù)N與煙道橫截面的長(zhǎng)寬比有關(guān)，當(dāng)長(zhǎng)寬比在1～1.5區(qū)間及4.5以上區(qū)間內(nèi)時(shí)，個(gè)數(shù)為16個(gè)；當(dāng)長(zhǎng)寬比在1.5～2.3和3.5～4.5區(qū)間內(nèi)時(shí)，個(gè)數(shù)為12個(gè)；當(dāng)長(zhǎng)寬比在2.3～3區(qū)間內(nèi)時(shí)，個(gè)數(shù)為8個(gè)；當(dāng)長(zhǎng)寬比在3～3.5區(qū)間內(nèi)時(shí)，個(gè)數(shù)為10個(gè)。

1.2 靜態(tài)混合器設(shè)計(jì)

針對(duì)某300 MW燃煤機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)，利用1.1所述的計(jì)算方法對(duì)靜態(tài)混合器進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)果：方形葉片靜態(tài)混合器的葉片邊長(zhǎng)為1 020 mm×1 020 mm，圓形葉片靜態(tài)混合器的葉片直徑為1 020 mm，偏斜角度均為45°，布置在AIG母管中心線上部1 100 mm處，具體布置和尺寸見(jiàn)圖3。

圖3 方形與圓形靜態(tài)混合器布置和尺寸

2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型按照某發(fā)電廠脫硝裝置的實(shí)際尺寸1∶1比例進(jìn)行建模計(jì)算，網(wǎng)格總數(shù)為 337萬(wàn)，99.99%的網(wǎng)格扭曲度在0.82以下，網(wǎng)格的最大扭曲度僅為0.91。速度場(chǎng)偏差和氨氮比濃度偏差的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在第一層催化劑上面300 mm處，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)的位置相同。

采用FLUENT軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，按照1.2中脫硝裝置的實(shí)際尺寸1∶1比例進(jìn)行建模計(jì)算。為便于計(jì)算，作如下假設(shè)：

（1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；

（2）系統(tǒng)絕熱；

（3）省煤器入口煙氣流場(chǎng)分布均勻；

（4）不考慮化學(xué)反應(yīng)；

（5）將催化劑層設(shè)為多孔介質(zhì)；

（6）不考慮混合器及煙道內(nèi)壁面的摩擦。

基于上述假設(shè)，在計(jì)算中采用連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能（k）方程、湍流動(dòng)能耗散率（ε）方程、組分方程、能量方程。

速度場(chǎng)偏差和氨氮比濃度偏差的監(jiān)測(cè)面設(shè)置在第一層催化劑上面300 mm處，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)的位置相同。在求解過(guò)程中，采用松弛迭代的變松弛系數(shù)法，采用一階迎風(fēng)差分，壓力-速度的耦合方式為SIMPLIC算法。

3 結(jié)果分析

此處采用的計(jì)算方法與文獻(xiàn)[5]和[6]中的相同，已驗(yàn)證其正確性，因此計(jì)算結(jié)果具有可靠性。利用該計(jì)算方法，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)中不加裝混合器、加裝方形混合器和加裝圓形混合器3個(gè)工況進(jìn)行了計(jì)算，3個(gè)工況除混合器加裝情況不同以外，其他參數(shù)均相同。

3.1 速度場(chǎng)分析

圖4為3個(gè)工況下的第一層催化劑入口前的速度云圖。由圖4（a）可見(jiàn)，無(wú)靜態(tài)混合器時(shí)，煙氣流場(chǎng)呈現(xiàn)流速大小間隔的條狀，這是由于煙氣經(jīng)過(guò)AIG多根母管造成，雖然煙氣流經(jīng)2個(gè)90°彎頭，仍無(wú)法改變煙氣流場(chǎng)的這種條狀分布；圖4（b）和（c）為裝有不同形狀的靜態(tài)混合器之后的流場(chǎng)分布，可見(jiàn)其與不加裝混合器的流場(chǎng)完全不同，條狀分布消失，呈現(xiàn)散落狀，僅在局部區(qū)域出現(xiàn)低流速，這與煙氣經(jīng)過(guò)混合器后湍流強(qiáng)度增加有關(guān)。

圖4 不同工況下第一層催化劑入口前的速度云圖

根據(jù)截面流場(chǎng)計(jì)算3個(gè)工況下的速度偏差，如表1所示。

表1 不同工況下截面速度分布偏差

由表1可知，加裝靜態(tài)混合器之后對(duì)流場(chǎng)的優(yōu)化與混合器形狀相關(guān)。當(dāng)混合器為方形葉片時(shí)，對(duì)煙氣流場(chǎng)無(wú)優(yōu)化作用，反而使其趨差；當(dāng)混合器為圓形葉片時(shí)，對(duì)煙氣流場(chǎng)起到了一定的優(yōu)化作用。

3.2 NH3/NOX偏差分析

圖5為3個(gè)工況下的第一層催化劑入口前的NH3/NOX分布云圖。由圖5可見(jiàn)，當(dāng)沒(méi)有靜態(tài)混合器時(shí)，NH3/NOX偏差高值和偏差低值區(qū)域較大，且受到煙氣上游AIG母管的影響，仍可見(jiàn)較為明顯的條紋狀分布；當(dāng)采用靜態(tài)混合器之后，NH3/ NOX偏差高值和偏差低值區(qū)域有所減小，分布呈現(xiàn)局部散落狀，這是由于煙氣經(jīng)過(guò)混合器時(shí)需繞流，使其湍流強(qiáng)度增加，同時(shí)結(jié)合煙氣原有的主速度方向，使其NH3/NOX偏差高值和低值偏向某一局部區(qū)域。

根據(jù)截面流場(chǎng)計(jì)算3個(gè)工況下的NH3/NOX偏差，如表2所示。

表2 3個(gè)工況的截面NH3/NOX偏差

由表2可知，加裝靜態(tài)混合器之后，第一層催化劑入口NH3/NOX偏差降低，即均勻性提升，平均較無(wú)靜態(tài)混合器的NH3/NOX偏差值降低43.6%，可見(jiàn)靜態(tài)混合器能夠有效地優(yōu)化NH3/NOX分布均勻性，進(jìn)而提升脫硝效率；另外，方形葉片混合器和圓形葉片混合器對(duì)NH3/NOX分布均勻性的優(yōu)化能力相差不大，可認(rèn)為二者在該方面能力相當(dāng)。

3.3 阻力分析

對(duì)3個(gè)工況下的SCR脫硝系統(tǒng)阻力和單個(gè)混合器阻力進(jìn)行計(jì)算，如表3所示。由表3可知，加裝混合器之后不可避免地會(huì)增加系統(tǒng)阻力，其中加裝方形葉片混合器增加了115 Pa，圓形葉片混合器增加了80 Pa，分別較原有系統(tǒng)阻力增加了11.7%和8.2%，增加幅度較??；計(jì)算單個(gè)混合器的阻力可知，方形葉片混合器阻力為185 Pa，圓形葉片混合器阻力為155 Pa，其阻力值大于加裝混合器之后系統(tǒng)增加的阻力值，可推知加裝混合器之后，雖然混合器本體增加了阻力，但其改善了系統(tǒng)其他區(qū)域的流場(chǎng)，使煙氣阻力下降，抵消了部分混合器本體所增加的阻力，其中方形葉片混合器抵消了70 Pa的阻力，圓形葉片混合器抵消了75 Pa的阻力。因此，圓形葉片混合器的阻力方面的表現(xiàn)較方形葉片混合器更佳。

圖5 不同工況的第一層催化劑入口前NH3/NOX分布云圖

表3 不同工況下的阻力情況

4 結(jié)論

（1）靜態(tài)混合器對(duì)速度偏差的改善能力弱，與其葉片形狀有密切關(guān)系，不合適的葉片形狀選擇會(huì)使煙氣的速度場(chǎng)均勻性變差。

（2）靜態(tài)混合器對(duì)NH3/NOX的分布均勻性改善能力較強(qiáng)，可使第一層催化劑前的NH3/NOX偏差值降低40%以上，其改善能力與葉片形狀關(guān)系較小。

（3）加裝靜態(tài)混合器會(huì)增加脫硝系統(tǒng)阻力，但其會(huì)改善其他區(qū)域的流場(chǎng)來(lái)降低本身阻力帶來(lái)的影響，其中圓形葉片混合器所增加的阻力較方形葉片混合器小。

綜上所述，圓形葉片靜態(tài)混合器較方形葉片靜態(tài)混合器更適用于脫硝系統(tǒng)。

[1]張彥軍，高翔，駱仲泱，等.SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道設(shè)計(jì)模擬研究[J].熱力發(fā)電，2007，36（1）∶15-17.

[2]WANG JIANCHUN.Comprehensive solution to flue gas desulfurization and denitration of circulating fluideized bed boiler[J].Meteorological and Environmental Research, 2014，5（7）∶31-33.

[3]王偉.SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道流場(chǎng)模擬研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

[4]吳志強(qiáng)，陶磊，李國(guó)明，等.600 MW機(jī)組主汽調(diào)節(jié)閥組CFD流場(chǎng)分析及降壓損改進(jìn)[J].浙江電力，2014，33（3）∶42-45.

[5]沈嵐.135 MW燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].浙江電力，2016，35（1）∶61-65.

[6]洪文鵬，蘭江.SCR脫硝系統(tǒng)靜態(tài)混合器數(shù)值模擬[J].鍋爐技術(shù)，2014，45（3）∶68-73.

[7]吳衛(wèi)紅，徐甸，蘇傳城，等.X型靜態(tài)混合器流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].能源工程，2015（5）∶45-49.

[8]裴煜坤，吳衛(wèi)紅.V型噴氨混合裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].能源工程，2013（4）∶49-53.

Research on Stream Field of Static Mixer with Different Shapes in SCR Denitration System

CHEN Yaoji1，QU Weifeng2，LIU Hanmei1，GE Chunliang1
（1.Zhejiang Tiandi Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China；2.Guodian Ningbo Fuel Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315800，China）

∶In order to improve the flow field uniformity of the inlet gas from SCR denitrification flue，F(xiàn)LUENT software is used to study the flow field with static mixers of various shapes in SCR denitrification system. It is found that the static mixer can improve the distribution of flue gas NH3/NOXin catalyst，but can hardly improve the speed field and increase the system resistance.The effect of circular-blade static mixer on flow field is better than that of square-blade static mixer,and is more suitable for denitrification system.

∶SCR；shape；static mixer；flow field

.201704010

1007-1881（2017）04-0040-05

：TK212+.3

：A

2016-12-12

陳瑤姬（1984），女，高級(jí)工程師，從事燃煤發(fā)電廠脫硫脫硝技術(shù)工作。

（本文編輯：陸 瑩）

浙江省重大科技專項(xiàng)（2014C03018），百萬(wàn)燃煤機(jī)組煙氣超低排放研究及示范項(xiàng)目