張春梅，丁桂彬，李宇軒，劉彬

（沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110020）

采用合理的煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是使SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)氨氣和NOx均勻混合的有效措施，可以避免由于氨氣和NOx的混合不均所導(dǎo)致的一系列問題。Ming[1]等人通過數(shù)值建模的方法對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，研究了催化劑基質(zhì)和多孔板的流動(dòng)阻力對(duì)速度分布和壓降的影響；蔡小峰[2]利用數(shù)值模擬的方法研究了導(dǎo)流板對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場(chǎng)的影響；王偉[3]利用數(shù)值模擬的方法研究了導(dǎo)流板數(shù)量對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道流場(chǎng)的影響。

此外，還有部分學(xué)者針對(duì)噴氨格柵上方放置靜態(tài)混合器對(duì)煙道內(nèi)流場(chǎng)的影響進(jìn)行了研究。王美巧[4-5]等研究了波紋板混合器的波紋板交錯(cuò)角度對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場(chǎng)的影響和扭葉片混合器葉片扭度及數(shù)量對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)流場(chǎng)的影響；裴煜坤[6]等采用模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了V型噴氨混合裝置結(jié)構(gòu)對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙道內(nèi)混合效果的影響；吳衛(wèi)紅[7]等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，研究了X型靜態(tài)混合器對(duì)煙道內(nèi)速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響。

多年來，SV型靜態(tài)混合器一直是備受關(guān)注的一種靜態(tài)混合器，它在流動(dòng)混合方面的表現(xiàn)較為突出。李新[8]等采用高速照相的方法，研究了SV型靜態(tài)混合器在不同流速下的分散性能，研究表明混合器波紋傾角對(duì)分散性能的影響明顯高于混合單元波紋夾角。裴凱凱[9]通過數(shù)值模擬與冷模試驗(yàn)結(jié)合的方法，探究了波紋板片數(shù)對(duì)混合質(zhì)量的影響以及相對(duì)壁面間距對(duì)阻力系數(shù)的影響。

在此之前，SV型靜態(tài)混合元件多置于圓形管道中，將其置入矩形通道中的研究還不多見。本文將研究將SV型靜態(tài)混元件置于SCR脫硝系統(tǒng)矩形豎直煙道段時(shí)，其排列方式對(duì)煙道內(nèi)混合效果的影響，探討排列方式變化對(duì)煙道內(nèi)速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)造成的影響，為此后的理論研究以及實(shí)際生產(chǎn)中SV型靜態(tài)混合元件的選擇提供理論參考。

1 建立模型

1.1 物理模型

本文選取某燃煤電廠大型煙氣脫硝系統(tǒng)的豎直煙道段作為研究對(duì)象，其長(zhǎng)、寬、高分別為6.2 m、11.5 m、15.3 m?？紤]到加入SV型靜態(tài)混合器后，模型的總體結(jié)構(gòu)會(huì)變得更為復(fù)雜，以及計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力限制，在這里物理模型按照實(shí)際1/20的幾何比例縮小，利用三維繪圖軟件對(duì)SCR系統(tǒng)豎直煙道段進(jìn)行三維建模，以豎直向上作為Z軸正方向，以煙氣進(jìn)氣方向作為X軸正方向。模型圖如圖1所示。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)煙氣豎直煙道段物理模型

圖2 混合元件橫截面示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

由于本文考察重點(diǎn)是AIG上游SV型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)出口截面的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布的影響，所以對(duì)煙道內(nèi)煙氣流動(dòng)做了簡(jiǎn)化，并且忽略其他無關(guān)因素對(duì)流場(chǎng)造成的影響，數(shù)值模擬中做出以下假設(shè)：①系統(tǒng)內(nèi)煙氣流動(dòng)為定常流動(dòng)，物性參數(shù)為常數(shù)；②煙氣中灰分和粉塵等固體顆粒含量較少，所以不考慮固體顆粒的影響；③實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)出口溫差較小，假設(shè)系統(tǒng)絕熱；④系統(tǒng)內(nèi)流體均為理想氣體。由于煙氣包括多種組分，本模擬還需要選擇物質(zhì)輸運(yùn)模型來模擬各組分的混合情況。

基于以上簡(jiǎn)化與假設(shè)，SCR系統(tǒng)煙氣豎直煙道段流場(chǎng)的主要控制方程可表示為：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

能量物質(zhì)輸運(yùn)模型：

式中：ui—三個(gè)速度方向的分量，m/s；

xi—相應(yīng)速度方向下的位移，m；

μ—?jiǎng)恿︷ざ龋?/p>

ρ—混合氣體的密度。

其中：mj—j種物質(zhì)的質(zhì)量；

Mj—j種物質(zhì)的摩爾質(zhì)量；

Yj—j種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Jj—j種物質(zhì)的質(zhì)量擴(kuò)散量。

1.3 邊界條件

助CFD仿真軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)值模擬。采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器，進(jìn)口采用velocity-inlet邊界條件，按照等流速的方法可確定煙氣流量624.88 m3·h-1，煙氣進(jìn)口宏觀速度為9.66 m·s-1，煙氣進(jìn)口處的雷諾數(shù)Re=1.47×105，湍流模型選擇Standard k-模型，利用湍流強(qiáng)度和水力直徑定義湍流程度。入口處煙氣的馬赫數(shù)Ma=0.028，當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，可忽略流體的壓縮性影響。出口采用outflow邊界條件。靜態(tài)混合器和固體壁面設(shè)置為wall，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。壓力-速度耦合采用SIMPLEC方法，k和的收斂殘差均設(shè)置為10-6，其余收斂殘差均設(shè)置為10-4。

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

本文研究對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮到計(jì)算機(jī)性能，網(wǎng)格劃分不宜采用過大的網(wǎng)格密度，但網(wǎng)格密度過小又會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成一定的影響，為了選擇合適的網(wǎng)格劃分尺寸以及排除網(wǎng)格密度對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的影響，在相同的邊界條件下，將流動(dòng)區(qū)域分別劃分為84萬、114萬、152萬、182萬、234萬和288萬6種不同網(wǎng)格密度的模型，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，比較不同網(wǎng)格密度所對(duì)應(yīng)的煙氣出口處速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv。如圖3所示，隨著網(wǎng)格密度增大，煙氣出口處的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)Cv先增大后減小，網(wǎng)格數(shù)量為234萬和288萬時(shí)所對(duì)應(yīng)的值分別為25.03%、25.02%，其波動(dòng)誤差在5%范圍內(nèi)，此時(shí)，網(wǎng)格密度已經(jīng)不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響，同時(shí)為了兼顧計(jì)算機(jī)的性能，最終選擇234萬的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)隨網(wǎng)格數(shù)量的變化關(guān)系

2 結(jié)果與討論

在元件組件數(shù)目相同的情況下（這里選擇組件數(shù)目為15片），研究相鄰混合單元排列方式對(duì)混合效果造成的影響。模型一以順排方式排列，相鄰單元的流道方向相同；模型二以叉排方式排列，相鄰流道之間呈90°交錯(cuò)排列。模型圖如圖4所示。

圖4 混合元件排列方式

2.1 濃度場(chǎng)分析

為了分析混合元件排列方式對(duì)豎直煙道段混合氣體空間濃度分布的影響，提取氨氣摩爾分?jǐn)?shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)，做出三種方案下的氨濃度分布圖進(jìn)行分析對(duì)比。

如圖5所示，分別給出了豎直煙道段內(nèi)無靜態(tài)混合器、內(nèi)置順排靜態(tài)混合器、內(nèi)置叉排靜態(tài)混合器時(shí)出口截面的氨氣濃度分布圖。

圖5 不同方案時(shí)豎直煙道段出口處氨濃度分布

從圖中可以看出，當(dāng)豎直煙道段內(nèi)無內(nèi)置靜態(tài)混合器時(shí)，由于沒有內(nèi)置件的干擾，氨氣從噴氨裝置噴出后，幾乎只做沿Z軸正方向的單向運(yùn)動(dòng)，這就導(dǎo)致出口處的氨氣幾乎集中分布在每根噴氨管的直徑范圍周圍，沒有得到很好的擴(kuò)散分布。如模型一和模型二的氨濃度分布圖所示，當(dāng)在豎直煙道段內(nèi)加入靜態(tài)混合器后，氨氣的分布效果得到了明顯改善，大部分氨氣分布較為均勻。這是由于當(dāng)混合氣體進(jìn)入到靜態(tài)混合器后，被分割成多股氣流，每股氣流經(jīng)過混合單元組件-波紋板時(shí)，會(huì)有一部分流體從主流中分離出來進(jìn)入到波紋凹槽中，撞擊到凹槽壁后折回形成旋渦，然后又匯聚到主流中流向下一個(gè)波紋凹槽，混合氣體在靜態(tài)混合器中重復(fù)這種運(yùn)動(dòng)，直至流出靜態(tài)混合器，通過這種方式造成了氣流紊流，增加了混合氣體的接觸時(shí)間，增大了混合氣體的接觸面積，有利于混合氣體的充分混合，而且模型二的氨氣濃度分布較模型一略均勻一些。

2.2 速度場(chǎng)分析

為了直觀的觀察元件排列方式對(duì)速度場(chǎng)的影響，分別選取豎直（Y向）和水平（Z向）兩個(gè)不同方向截面上的矢量圖以及進(jìn)行對(duì)比，由圖6可知，混合氣體分別從交錯(cuò)90°的兩個(gè)方向進(jìn)入到靜態(tài)混合器通道中。當(dāng)上下混合元件以順排方式排列時(shí)（即模型一），由于上下兩通道之間沒有交錯(cuò)角，氣流從下通道流入后繼續(xù)按原方向流入上通道，兩股氣流在通道中間位置發(fā)生碰撞形成旋渦，迫使周圍流體改變流動(dòng)方向，分別從兩側(cè)流出；而當(dāng)上下混合元件以叉排方式排列時(shí)（即模型二），由于上下通道呈90°交錯(cuò)，氣流從下通道流入后，在上通道的左右兩側(cè)各自匯聚，形成兩個(gè)微小旋渦，迫使氣流沿著通道壁流動(dòng)，削弱了氣體在主流方向的流動(dòng)效果。

圖6 不同方案下XZ平面速度矢量圖

從錯(cuò)誤！未找到引用源?？梢钥闯?，不論混合元件以何種方式排列，氣流在兩片波紋板所形成的通道中只形成一個(gè)旋渦，不同的是氣流在模型一流道中形成的是逆時(shí)針旋向的旋渦，而在模型二中形成順時(shí)針旋向的旋渦，逆向旋渦的存在加強(qiáng)了垂直于主流方向的氣體流動(dòng)效果。

采集空煙道、順排排列及叉排排列三種方案下的主流速度值，繪制出口處的速度分布曲線，如錯(cuò)誤！未找到引用源。所示。通過模型一、模型二和無靜態(tài)混合器模型的比較可以看出，無內(nèi)置靜態(tài)混合器時(shí)，沿X方向的速度呈類似拋物線變化，分布很不均勻；當(dāng)加入靜態(tài)混合器后，豎直煙道段流道內(nèi)較大范圍的混合氣體速度分布得到了改善，而且相較于模型二，模型一對(duì)混合氣體速度分布的優(yōu)化效果更為明顯。

圖7 不同方案下XY平面速度矢量圖

圖8 各方案下豎直煙道段出口處速度分布曲線

2.3 混合效果定量分析

混合元件的兩種排列方式在優(yōu)化混合氣體濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布兩方面各占優(yōu)勢(shì)，為了更好地選擇混合元件的排列方式，計(jì)算出不同方案時(shí)主流速度、氨氣濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)，以及壓降，進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表1所示。

表1 不同方案的數(shù)值模擬結(jié)果

相較于無靜態(tài)混合器的模型，模型一和模型二的主流速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別增大了9.59%、37.5%，氨氣濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)減小了83.74%、89.88%。增加靜態(tài)混合器后，豎直煙道段流道內(nèi)的阻力損失明顯增大，模型二的阻力損失較模型一還是要多32.67%。綜合各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比，模型二的濃度場(chǎng)分布優(yōu)于模型一，但其速度場(chǎng)分布以及阻力損失均遜色于模型一，而且模型一的氨氣濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)已符合低于15%的要求。

3 結(jié)論

本文針對(duì)內(nèi)置于SCR脫硝系統(tǒng)豎直煙道段的SV型靜態(tài)混合元件的排列方式對(duì)其混合效果的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，以Cv(Vz)、Cv(NO)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合煙道內(nèi)的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)分布及壓降，綜合分析排列方式對(duì)混合效果的影響。

1)從濃度分布云圖來看，SV型靜態(tài)混合元件的插入，對(duì)豎直煙道內(nèi)氣體分布起到了一定的優(yōu)化作用；當(dāng)混合元件以順排方式排列時(shí)，對(duì)煙道內(nèi)氣體分布的優(yōu)化效果要略差于叉排方式排列的混合元件。

2)從速度云圖來看，當(dāng)混合元件以順排方式排列時(shí)，對(duì)煙道內(nèi)氣體流動(dòng)效果的強(qiáng)化要強(qiáng)于叉排排列的混合元件。此外，從出口截面X向速度分布曲線圖可以看出，順排排列對(duì)煙道內(nèi)氣體分布均化的效果要稍強(qiáng)于叉排排列。

(3)從定量分析的角度來看，叉排排列時(shí)Cv(Vz)值要比出順排排列時(shí)高出約25.52%，但是其Cv(NH3)值要比順排排列的低約37.8%。此外，當(dāng)混合元件以叉排方式排列時(shí)，系統(tǒng)壓降較順排排列高出了約32.67%。雖然順排排列時(shí)Cv(NH3)值要低于叉排排列的，但已低于15%。因此，在矩形煙道內(nèi)安裝SV型靜態(tài)混合元件時(shí)，建議選擇順排排列方式。