雷鑒琦，王曉波，呂秀川，閆俊剛，嚴(yán)冰清

（1.大唐東北電力試驗研究院有限公司，長春 130102；2.中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司，長春 130021；3.大唐河北發(fā)電有限公司馬頭熱電分公司，河北邯鄲 056044）

0 引言

中電聯(lián)的統(tǒng)計結(jié)果顯示［1］，截至2017年底已投運火電廠煙氣脫硝機組容量為10.2億千瓦，占火電機組容量的98.4%，其中SCR脫硝技術(shù)在燃煤鍋爐脫除NOx過程中得到了最為廣泛的應(yīng)用。但是由于SCR反應(yīng)器處于鍋爐尾部多個彎頭部件及噴氨格柵之后，煙氣夾帶煙塵形成高雷諾數(shù)的多相多組分流動，在SCR系統(tǒng)內(nèi)會形成復(fù)雜的流場，從而造成較大的阻力損失、對催化劑表面的沖蝕磨損及不均勻的氨氮比，嚴(yán)重影響脫硝系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。因此，在研究流場均勻性的同時，對提高氨氮混合、煙塵濃度的均勻性，也是至關(guān)重要的工作。

SCR脫硝技術(shù)多采用導(dǎo)流板、整流格柵、噴氨格柵等常規(guī)構(gòu)件，均勻催化劑入口流場及氨氮比分布。對于上述部件關(guān)于單相流動特性已有較多的研究。安敬學(xué)等［2-3］通過調(diào)整SCR脫硝入口上部水平煙道導(dǎo)流板位置、減少導(dǎo)流板數(shù)量，同時增加撞擊式混合器，使煙道煙塵質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了近10%。裴煜坤［4］采用數(shù)值模擬及自?；囼灧椒▽型混合器的渦系特點、結(jié)構(gòu)參數(shù)、濃度變化規(guī)律進行了研究，并得到了混合距離與混合單元數(shù)的二次方程關(guān)系。羅志等［5］利用花瓣布置方式的圓盤混合器對300 MW機組進行了流場改造，使反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差降低至15%左右。

目前尚無對SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)不同類型混合器效果對比的研究。本文采用數(shù)值模擬的方法，從兩相流動、組分輸運及流阻特性等方面綜合分析對比圓盤、管式、V型、三角翼混合器對多相多組分均勻性能的優(yōu)劣，為SCR脫硝工程實踐強化氨氮混合、均勻兩相流動提供一定的參考依據(jù)。

1 多種混合器流動特性對比

為了對多種混合器的兩相流動、組分輸運及流阻特性等方面進行綜合分析，各種混合器采用了迎風(fēng)面積相同的方案作為研究對象。各種混合器的結(jié)構(gòu)及安裝位置如圖1所示，規(guī)格參數(shù)見表1。

圖1 混合器的幾何結(jié)構(gòu)及布置方式

表1 混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了對比各種混合器的流動特性和阻力損失，采用基于有限體積法的離散化方法分別對原型及各種混合器進行湍流計算。由于煙氣流經(jīng)混合器速度梯度較大，對其附近的網(wǎng)格進行局部加密，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗證，網(wǎng)格總數(shù)為12 470 890～12 671 192。煙氣流動采用Realizable k-ε湍流模型描述，相比于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，對強流線彎曲、旋渦等方面具有更高的精度。各模型計算工況及邊界條件設(shè)置一致，具體如下：二階迎風(fēng)格式，Simple算法，煙氣溫度為633 K，煙氣流速為4.1 m/s，動力黏度為3.02×10-5Pa·s，煙氣密度為0.568 kg/m3。通過數(shù)值計算，首層催化劑上方截面0.500 m截面流場均勻性及省煤器出口至首層催化劑上方截面0.500 m處流阻的計算結(jié)果見表2。

表2 各種混合器流場模擬結(jié)果對比

采用工業(yè)性試驗方法驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性［7］，分別對反應(yīng)器內(nèi)催化劑上方截面 1，2，3 m等3個深度位置的煙氣流速、煙塵濃度進行現(xiàn)場測試，依據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果分別計算煙氣流速與煙塵濃度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（結(jié)果見表3），二者平均誤差分別為5.568 4%，-8.748 5%，均在工程誤差允許范圍之內(nèi)。

表3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗Cv對比

由表2可知，相比于原型，各類型混合器均引起流阻的增加，主要由于混合器的下游產(chǎn)生一系列連續(xù)分布的渦街，渦的產(chǎn)生及耗散過程消耗了流體的靜壓［6-8］。具有相同迎風(fēng)面積的混合器的流動規(guī)律和流阻特性存在一定差異，其中圓盤混合器具有更大的低速回流區(qū)域，故其引起的流阻增加最大。由圖2流場分布云圖可知，在混合器之間以及混合器與煙道壁面之間會形成高速流核，在豎直煙道內(nèi)，圓盤混合器產(chǎn)生的流核最大，并在豎直煙道內(nèi)近鍋爐側(cè)產(chǎn)生明顯的流動擠壓面。混合器的加裝削弱了原型豎直煙道內(nèi)近鍋爐側(cè)的高流速區(qū)域，混合器誘導(dǎo)的大渦結(jié)構(gòu)不斷破裂為小渦，速度場逐漸恢復(fù)，使得豎直煙道出口的流場均勻性提高，略微改善了催化劑入口流場的均勻性。

圖2 各種混合器流場模擬結(jié)果云圖

2 多種混合器組分混合特性對比

為對比研究各種混合器的氨氮混合特性，采用Species transport模擬組分輸運過程，利用Custom Field Function定義氨氮比變量 ，氨氮比設(shè)定為0.9，氨空比為0.05，噴氨格柵沿?zé)煹缹挾确较?個分區(qū)，煙道深度2個子區(qū)布置，計算過程中采用各噴口均勻噴氨方案，結(jié)果見表4。

計算結(jié)果如圖3所示，催化劑上方截面的氨氮比均勻性：圓盤＞V型＞管式＞原型＞三角翼。煙氣攜帶噴氨格柵噴入的氨氣，流經(jīng)混合器誘導(dǎo)出的渦街，旋渦通過位置互換、渦流擴散進行組分傳遞［9-11］。渦向豎直煙道上部運動時不斷卷吸從噴氨口噴出的氣體，促進低速區(qū)與高速區(qū)之間動量和NH3/NOx傳遞。

表4 各種混合器氨氮比模擬結(jié)果對比

圖3 各種混合器氨氮比模擬結(jié)果云圖

各混合器單元在其端部會產(chǎn)生成對的反向旋轉(zhuǎn)渦［12-14］，由于單元末端剪切作用導(dǎo)致的旋渦周期性脫落引發(fā)高速脈動，該處湍動能值較高，介觀混合增強。同時，混合單元產(chǎn)生的渦系結(jié)構(gòu)作用，使煙氣流動過程中高頻脈動成分增多，湍流耗散率明顯增大，加速了微觀混合過程，尤其是混合單元對稱截面末端處，該處湍動能和湍流耗散率最高（如圖4所示），即介觀混合和微觀混合最強。由于圓盤、管式、V型安裝位置均在噴氨格柵下游，噴氨位置更接近高湍動能、湍流耗散率區(qū)域，故均能提升氨氮混合的均勻性。隨著煙氣向豎直煙道出口運動，渦流作用顯著減弱，流場逐漸恢復(fù)自然湍流狀態(tài)。

圖4 圓盤混合器的湍動能和湍流耗散率分布

3 多種混合器兩相流動特性對比

在考慮煙氣流動、氨氮混合的基礎(chǔ)上，采用基于歐拉-拉格朗日方法的DPM離散相模型，雙向耦合求解氣固兩相流動。工況煙塵濃度為62 275 mg/m3，相當(dāng)于質(zhì)量流量15.5 kg/s。煙塵粒徑服從Rosin-Rammler分布，最大粒徑200 μm，最小粒徑2.5 μm，平均粒徑127.1 μm，分布指數(shù)1.1180，煙塵真實密度為2 000 kg/m3。將脫硝出口煙道設(shè)為煙塵完全逃逸，煙塵的軌道計算到此處終止。顆粒與煙道、導(dǎo)流板及混合器的壁面碰撞，采用JUN等［6］提出的反彈經(jīng)驗公式，預(yù)測碰撞過程。

計算結(jié)果如表5所示，圖5示出原方案煙塵濃度分布云圖，可見在SCR脫硝入口煙道煙塵主要集中在省煤器出口煙道下壁面、豎直煙道中心及遠(yuǎn)鍋爐側(cè)、各導(dǎo)流板內(nèi)弧處。受慣性影響，在經(jīng)歷多次煙道轉(zhuǎn)彎及截面變化后，催化劑上方高煙塵濃度區(qū)域主要集中在反應(yīng)器近鍋爐側(cè)位置。

在煙道內(nèi)布置混合器后，煙氣攜帶煙塵進入混合器時，在混合器內(nèi)加速，離開后呈噴射狀進入下游煙道。煙氣在流經(jīng)混合器之間以及混合器與煙道之間形成的狹小通道時煙塵出現(xiàn)富集現(xiàn)象。同時混合器的背風(fēng)面產(chǎn)生較大范圍的低濃度區(qū)［7］。由第1節(jié)分析可知，隨著氣流逐漸發(fā)展，由于混合器的作用，下游產(chǎn)生連續(xù)渦街，煙氣煙塵在渦街作用下發(fā)生紊流擾動，使煙塵質(zhì)量濃度分布趨于均勻。由圖6（a）、（b）對比可知，安裝混合器后高煙塵濃度不再集中于反應(yīng)器近鍋爐側(cè)，煙塵逐步向遠(yuǎn)鍋爐側(cè)移動。

表5 各種混合器煙塵分布模擬結(jié)果對比

圖5 原方案煙塵濃度分布云圖

圖6 催化劑上方截面煙塵濃度對比

4 多種混合器綜合性能對比

安裝混合器要達(dá)到最佳效果，需滿足催化劑上方截面煙塵濃度、氨氮比分布不均勻程度最低，并保證脫硝系統(tǒng)壓降最小。為獲得高效低阻的混合器結(jié)構(gòu)，構(gòu)造了煙塵濃度Cv、氨氮比Cv與壓降Δp歸一化處理后的差值為混合器性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，來評價各混合器性能優(yōu)劣?；旌掀鞯男阅苤笜?biāo)用式（3）進行定義。

Δp' ——壓損的歸一化值；

Δpmax——壓損的最大值；

Δpmin——壓損的最小值。

各混合器性能指標(biāo)Obj計算結(jié)果如表6所示，可見圓盤混合器的Obj最大，綜合性能優(yōu)于其他類型混合器。

表6 各種混合器性能指標(biāo)對比

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬詳細(xì)計算了燃煤機組SCR煙氣脫硝系統(tǒng)內(nèi)流動特性、煙塵運動、氨氮混合，并進行了對比分析。在各混合器相同迎風(fēng)面積條件下，圓盤混合器流阻最大，各混合器對催化劑上方截面流場均勻性幾乎不產(chǎn)生影響。

（2）在均勻噴氨條件下，圓盤混合器可使氨氮比均勻性相對提高44.487 9%。對于安裝在噴氨格柵下游的管式、V型混合器同樣可以提高湍動能、湍流耗散率來強化傳質(zhì)。位于下部彎頭煙道出口的三角翼混合器，幾乎不改變氨氮比均勻性。

（3）由于混合器對煙氣、煙塵強烈的摻混作用，煙塵逐步由反應(yīng)器近鍋爐側(cè)向遠(yuǎn)鍋爐側(cè)移動，對煙塵濃度過于集中的現(xiàn)象有一定改善作用。