陸華偉，，， ，科偉

(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2.北京國電龍源環(huán)保工程有限公司，北京 100039)

近年來，隨著我國環(huán)保標準的提高，對燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[1-2]。選擇性催化還原技術(shù)(SCR)由于脫硝效率高，適應(yīng)性強等特點被廣泛應(yīng)用在電廠鍋爐中[3-4]。從氣動流場角度考慮，對脫硝效率影響最大的因素是反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度場和濃度場的均勻性，其中煙氣速度分布較差不僅會加速催化劑的磨損，降低其壽命，還會影響煙氣和氨的混合效果，從而導(dǎo)致脫硝效率的下降和氨逃逸率的升高[5-6]，因此研究煙氣流場的均勻性對整個SCR脫硝系統(tǒng)具有重要的意義。

煙氣脫硝系統(tǒng)在進行設(shè)計或改造時需要對縮比模型進行物理實驗，用以檢驗脫硝煙道的氣動性能是否滿足工程要求，但考慮到數(shù)值模擬具有時間短、經(jīng)濟性好、靈活性強等特點，越來越多的研究人員開始用數(shù)值軟件來完成煙道的設(shè)計。董建勛[7]建立了SCR脫硝反應(yīng)器冷態(tài)流動和混合技術(shù)試驗裝置，對不同均流裝置進行了試驗研究，并分析了煙氣反應(yīng)物濃度分布不均勻?qū)γ撓跣阅艿挠绊懀簧虻8]等、周健[9]等通過改變反應(yīng)器上游導(dǎo)流板形態(tài)以及陳連芳[10]等通過設(shè)計優(yōu)化入口折轉(zhuǎn)彎道部分的導(dǎo)流部件，分別獲得了各自最佳的導(dǎo)流板布置結(jié)果，減輕了反應(yīng)器入口速度分布不均現(xiàn)象；毛劍宏[11]等分別研究了變截面煙道內(nèi)等角度和變角度兩種導(dǎo)流板布置方式對流場的影響，改善了AIG入口的速度分布；李德波[12]等通過改變整流格柵上游兩個彎轉(zhuǎn)部分的導(dǎo)流板長度和數(shù)量，減小了AIG和催化劑入口的標準偏差系數(shù)；汪洋等[13]改變格柵板間距、長度及角度，獲得了格柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動流場的影響規(guī)律；楊松[14]等以及張志文[15]等通過綜合加裝導(dǎo)流板與格柵的方法，優(yōu)化了煙道流場分布。

由以上可以看出，國內(nèi)各高校及工程人員主要針對導(dǎo)流板、整流格柵等均流結(jié)構(gòu)進行研究，以此改變反應(yīng)器氣動流場分布。本文即是以300 MW電廠SCR脫硝煙道為研究對象進行的冷態(tài)流場數(shù)值模擬，計算結(jié)果對該系統(tǒng)的設(shè)計或改造具有一定指導(dǎo)意義。

1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用UG 5.0按實際尺寸1∶10進行建模，坐標系選擇如下：煙氣從省煤器流向反應(yīng)器方向為正X軸，垂直向上為正Y軸，以SCR煙道出口所在平面為Y=0，其中煙道總高Y=2.66 m，兩個90°彎道導(dǎo)流板采用直弧直型，噴氨系統(tǒng)為大直徑噴孔搭配渦流混合器方式，反應(yīng)器上游設(shè)有整流格柵。選用Fluent前處理軟件Gambit分區(qū)生成結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對噴氨系統(tǒng)、導(dǎo)流板和格柵區(qū)域進行局部網(wǎng)格加密，最終網(wǎng)格數(shù)量約為240萬，并通過質(zhì)量檢查，整個煙道模型與網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 幾何模型與網(wǎng)格示意圖1-擴張流道;2-導(dǎo)流板①;3-噴氨系統(tǒng);4-導(dǎo)流板②;5-傾斜流道;6-整流格柵;7-催化劑

2 數(shù)學模型及邊界條件

由于本文只研究煙氣速度分布情況，未涉及化學反應(yīng)，并且考慮到計算成本與數(shù)值模擬的局限性，因此對SCR脫硝實際過程作出如下簡單假設(shè)：(1)煙氣各組分和氨的混合氣均為理想氣體；(2)煙氣物性參數(shù)為常數(shù)，流動為定常的；(3)不考慮煙氣中灰分的影響；(4)整個SCR煙道是絕熱的。選取的湍流模型為標準k-ε模型，基于壓力求解器SIMPLE算法，對流差分格式采用二階迎風；選取組分輸運模型模擬煙氣與氨的混合；采用多孔介質(zhì)模型模擬催化劑結(jié)構(gòu)，并僅對第一層催化劑進行模擬；煙道進出口邊界條件選壓力進出口，6個噴氨孔為速度進口；反應(yīng)器、導(dǎo)流板和整流格柵表面均設(shè)置為壁面邊界，無熱傳導(dǎo)，無滑移[16]。

采用總壓損失系數(shù)判別煙道截面損失，定義如式(1)

(1)

P*——截面總壓;

3 計算結(jié)果分析

3.1 原始流場分析

本文以進口速度4.7 m/s為設(shè)計工況進行模擬，得到原始流場計算結(jié)果如下。

從整體上看，渦流混合器的駐渦效果及整流格柵的均流作用都比較明顯，煙氣流經(jīng)催化劑有明顯的損失(圖2(a))。圖2(b)顯示，入口段擴張流道下側(cè)及導(dǎo)流板①折轉(zhuǎn)區(qū)域右側(cè)的煙氣速度都比相反側(cè)高，這是因為煙氣在急轉(zhuǎn)彎道受較大離心力，導(dǎo)致其大部分都靠近煙道外側(cè)流動，并且此處局部損失小。同理，在格柵上游傾斜流道內(nèi)也遵循相同的流動準則，導(dǎo)致了反應(yīng)器入口煙氣速度呈左低右高現(xiàn)象。

圖2 截面Z=0.5 m損失和速度云圖

從局部分析，如圖3(a)～(c)所示，擴張流道內(nèi)的煙氣速度不僅在Y向存在較大梯度，Z向分布也較差，由于幾何形狀的不對稱，擴張流道中間截面1及出口截面2的右下部分存在明顯低速區(qū)，并且這種不均勻性在噴氨前截面3依然保持，催化劑中間位置存在明顯的高速區(qū)(圖3(d)黑框區(qū)域)。另外，從圖4可以看到，擴張段低速部分的損失明顯偏大，并且隨著截面高度的增加(Y向)，煙氣流動變得復(fù)雜，最后在擴張流道上壁面附近形成了大尺度旋渦，二次流損失較大。

圖3 各截面速度云圖

圖4 擴張流道內(nèi)截面流線和損失云圖

為了更加直觀分析煙道結(jié)構(gòu)的合理性，選取相對均方根標準作為判斷流場速度均勻性的依據(jù)，其定義如下

(2)

(3)

式中σ——標準偏差;

n——測點數(shù);

xi——i點速度;

▽——平均速度;

Cv——速度標準偏差系數(shù)。

Cv越小表明速度均勻性越好，目前一般工程設(shè)計要求催化劑入口Cv<±15%。本文監(jiān)測點分布及各截面速度偏差系數(shù)如表1。

表1 監(jiān)測點分布和截面Cv

由表1可知，截面2的速度均勻性最差，導(dǎo)流板①較大程度改善了煙氣分布。然而由于噴氨系統(tǒng)渦流混合器的存在，導(dǎo)致截面4的Cv再次增大，之后經(jīng)豎直煙道摻混及格柵均流，催化劑入口Cv恰好達到設(shè)計要求，但考慮工況變化及其他因素影響，需進行優(yōu)化。

綜上考慮，得到反應(yīng)器內(nèi)速度均勻性較差的主要原因有兩方面，其一：煙氣在彎道部分受較大離心作用，造成反應(yīng)器右側(cè)速度高；其二：受入口段擴張流道影響，煙氣在Z向流動不均，導(dǎo)致催化劑入口中間速度較高。

3.2 擴張流道導(dǎo)流板對速度場的影響分析

3.2.1 布置方案

由上述分析，反應(yīng)器中間速度高是由煙道入口段擴張流道引起。因此，針對煙氣流動規(guī)律，在兩個擴張流道內(nèi)分別增加直導(dǎo)流板，如圖5所示。其中，所有方案的第1、2、3塊導(dǎo)流板布置相同，與正Z軸之間的夾角分別為75°、60°、45°，第二個擴張流道內(nèi)導(dǎo)流板與正Z軸的角度如表2所示。

圖5 擴張流道內(nèi)導(dǎo)流板布置

表2 導(dǎo)流板角度分布

3.3.2 計算結(jié)果分析

由圖6可見，導(dǎo)流板的分流效果明顯，煙氣能夠較好地沿著流道擴張方向流動，速度分布得到顯著改善，尤其從圖6(a)、(b)兩個截面可以清晰看到，各改進方案大Z部分低速區(qū)減小很多，由于擴張流道上壁面區(qū)域煙氣少且存在旋渦流動，因此90%H截面的導(dǎo)流效果并不明顯(圖6(c))。另外，垂直煙氣流向截面的速度云圖顯示(圖6(d)、(e))，低速區(qū)減小，高速區(qū)下移，均勻性得到不同程度提高。由圖6(f)可知，擴張流道導(dǎo)流板對催化劑入口煙氣速度分布同樣有所優(yōu)化，中間高速區(qū)大幅度減少，且略向上偏移，其中Case 2效果最好。

圖6 煙道各截面速度云圖

圖7為各截面總壓損失和流線分布。對比發(fā)現(xiàn)，雖然導(dǎo)流板改變了煙氣流動方向，使損失在Z向有所均化，但在導(dǎo)流板下游區(qū)域形成了局部高損失區(qū)，造成總體損失有所增加(圖7(a)～(c))。同時，由圖7(c)～(e)可以看到，導(dǎo)流板對擴張流道內(nèi)大尺度渦的形成具有明顯抑制作用，將其有效地控制在最下側(cè)導(dǎo)流板附近。

圖7 擴張流道截面損失和流線圖

由上述分析可知，導(dǎo)流板會使煙道損失增大，如果實際運行中SCR系統(tǒng)產(chǎn)生的壓損太大，則會增加煙道出口風機的出力，從而降低脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全性，因此有必要控制損失大小。表3為以上各方案擴張流道損失及截面2、截面6的速度偏差系數(shù)。首先可以發(fā)現(xiàn)，擴張流道損失雖然有所增加，但相對其對下游流場的作用來說，必要的損失是可承受的。其次，隨著導(dǎo)流板增多，擴張流道出口截面2的Cv明顯減小，可知導(dǎo)流板在改善擴張段流場方面效果顯著，而催化劑入口截面6的Cv逐漸增大，但變化并不明顯，由此可知造成反應(yīng)器速度分布差的主要因素是右側(cè)高速區(qū)。最后，由前面圖6(f)可以發(fā)現(xiàn)，在改善反應(yīng)器中間高速區(qū)方面Case 2效果最好，然而表3顯示Case 1的Cv最小，分析其原因是由于導(dǎo)流板對反應(yīng)器右側(cè)高速區(qū)產(chǎn)生了極其微小的變化。因為本文僅針對中間高速區(qū)進行改善，綜合考慮，Case 2優(yōu)化效果最好。

表3 擴張流道損失和速度偏差系數(shù)

4 結(jié)論

本文通過對SCR脫硝煙道的氣動流場數(shù)值研究，得出如下結(jié)論：

(1)催化劑入口的速度均勻性雖然滿足工程要求，但相對較差，主要原因是：(a)入口段擴張流道引起煙氣Z向分布不均，造成反應(yīng)器中間出現(xiàn)高速區(qū)；(b)在彎道部分煙氣受到離心作用，導(dǎo)致反應(yīng)器右側(cè)速度高；

(2)導(dǎo)流板雖然增大了流動損失，但卻能有效改善擴張流道內(nèi)煙氣流場分布，抑制了大尺度渦的影響，減小了反應(yīng)器中間高速區(qū)，降低了催化劑磨損的不均勻度，因此優(yōu)化方案是可取的，其中Case 2效果最佳；

(3)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)速度均勻性差的最主要因素是右側(cè)高速煙氣，而中間高速區(qū)影響并不明顯，因此下一步需針對右側(cè)高速區(qū)進行優(yōu)化。

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