SCR外置煙道流場優(yōu)化的數(shù)值模擬

李凱，金建榮，談群，孫堅，王嵩聳

（嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

選擇性催化還原（SCR）是一種燃燒后降低NOx生成的脫硝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電站鍋爐煙氣脫硝。以NH3為還原劑，將NOx還原為N2，NOx的分解程度取決于催化劑的有效性。由于反應(yīng)溫區(qū)的限制，催化劑床層通常采用高塵布置。在這種脫硝系統(tǒng)中，煙氣尚未進行除塵處理，煙氣中的飛灰會對催化劑產(chǎn)生磨損與堵塞。催化劑的磨損與堵塞將減少NOx與催化劑的接觸面積，降低煙氣脫硝效率。此時，為確保NOx排放符合環(huán)保要求，不得不加大噴氨量，進而導(dǎo)致氨逃逸升高，加劇下游設(shè)備的積灰與堵塞問題。此外，催化劑通道堵塞后，煙氣流動阻力快速上升，引起引風(fēng)機能耗的大幅增加。

為減輕煙氣飛灰對催化劑的磨損與堵塞，設(shè)計了SCR外置煙道對煙氣中的飛灰顆粒進行捕集分離。但是，SCR外置煙道改造后，改變了煙氣的流程，引起了脫硝反應(yīng)器入口流場均勻性的惡化。為改善脫硝反應(yīng)器入口流場，增設(shè)了折彎導(dǎo)流板。然而，導(dǎo)流板布置對流場改善效果存在較大影響。因此，本文將開展SCR外置煙道折彎導(dǎo)流板布置的仿真分析，以此確定導(dǎo)流板位置對流場均勻性的影響規(guī)律，為SCR外置煙氣流場優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

2 模型描述與數(shù)值方案

2.1 物理模型

對鍋爐機組進行了SCR外置煙道改造，采用的SCR外置煙道結(jié)構(gòu)如圖1所示。煙氣首先從豎井煙道引出，經(jīng)慣性分離折角后進入水平段外置煙道。隨后含塵煙氣流經(jīng)慣性分離彎頭改變煙氣流向，進入上行段外置煙道。在慣性的作用下，部分煙氣中的飛灰未能跟隨煙氣改變流向而被分離。分離出的飛灰通過彎頭處的排灰口排出。除塵后的煙氣經(jīng)第二個折彎進入布置有脫硝反應(yīng)器的下行煙道。脫硝后的煙氣將返回原煙道與空預(yù)器進行熱交換。為改善脫硝反應(yīng)器入口流場，設(shè)計了折彎導(dǎo)流板，見圖1煙道折彎處。根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)，SCR外置煙道出口煙氣溫度約300℃，其物理性質(zhì)按標準煙氣進行計算。因此，煙氣密度為0.617kg/m3，煙氣的黏度為2.82×10-5Pa·s。入口處的煙氣流速為2m/s。折彎導(dǎo)流板的水平段由煙道折彎出口引出至下行煙道入口。不同布置方案下各導(dǎo)流板間的間距如表1。

圖1 SCR外置煙道及其導(dǎo)流板示意圖

表1 不同布置方案下各導(dǎo)流板間的間距

2.2 數(shù)值模型與計算方法

煙氣在SCR外置煙道內(nèi)的流動過程采用ANSYS FLUENT 17.2進行穩(wěn)態(tài)模擬。采用GAMBIT軟件對圖1所示的計算域進行網(wǎng)格劃分，通過分塊法劃分了六面體網(wǎng)格。結(jié)合壁面函數(shù)與網(wǎng)格無關(guān)性驗證，確定計算域網(wǎng)格數(shù)。

選用標準k-ε湍流模型與標準壁面函數(shù)，計算湍流流動。忽略煙氣流動過程中的熱交換，煙氣的密度與黏度為常數(shù)。煙氣入口采用速度入口邊界條件；出口采用壓力出口邊界條件。壓力—速度耦合采用SIMPLE算法。除了k-ε湍流方程采用一階迎風(fēng)格式，其余控制方程的空間離散均采用二階迎風(fēng)格式。

3 計算結(jié)果與分析

CASE1-6不同折角導(dǎo)流板間距工況下，脫硝反應(yīng)器入口平面的速度分布如圖2所示。根據(jù)圖2可知，CASE1工況下煙氣向煙道外側(cè)偏斜嚴重，使得在脫硝反應(yīng)器入口外側(cè)截面上出現(xiàn)了高速區(qū)。這是因為該工況下導(dǎo)流板間距普遍較大，導(dǎo)流板向外側(cè)傾斜程度相應(yīng)較大，對煙氣的阻擋限制作用較弱。因此，煙氣在慣性作用下向煙道外側(cè)偏斜聚集，最終在脫硝反應(yīng)器入口外側(cè)截面上形成高流速區(qū)。此外，在靠近煙道內(nèi)側(cè)的區(qū)域發(fā)生了速度分區(qū)，即緊貼內(nèi)壁面處煙氣流速較低，向外一段距離的區(qū)域流速快速升高。這說明導(dǎo)流板U間距不宜過大，否則，會形成局部的煙氣偏斜聚集現(xiàn)象。CASE3工況下，由于W間距較小，雖然部分煙氣在慣性作用下向外側(cè)偏斜，但仍有大量煙氣在該通道對應(yīng)的區(qū)域聚集，因此，在脫硝反應(yīng)器入口截面中偏上區(qū)域出現(xiàn)了高流速區(qū)。在CASE4中，放寬了W間距，但V間距縮小。此時，脫硝反應(yīng)器入口截面中偏上區(qū)域流速降低，但近壁面區(qū)域的流速有所上升。所以，V、W、X的間距應(yīng)當(dāng)在保持接近的條件下進行微調(diào)。于是，有了CASE5與CASE6的布置方案，兩方案中反應(yīng)器入口截面的煙氣流速分布逐漸區(qū)域均勻。

圖2 CASE1-6工況下反應(yīng)器入口截面的速度云圖

采用速度不均勻系數(shù)Cv來表征流場分布的均勻程度，其定義方式如下：

圖3所示為CASE1-6工況下脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)。與圖2中脫硝反應(yīng)器入口截面的速度云圖對應(yīng)，CASE1工況下，脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)最高，為34.8%。CASE2-4的速度不均勻系數(shù)雖然逐步從28.6%下降至24.2%，但是，其不均勻程度仍較高，不符合工程上速度不均勻系數(shù)小于15%的要求。經(jīng)過分析后，對方案進行調(diào)整得到CASE5-6。在這兩個方案下，脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)進一步降低。最終，CASE6方案的脫硝反應(yīng)器入口速度不均勻系數(shù)為14.7%，滿足了工程要求。

圖3 CASE1-6工況下脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，研究了SCR外置煙道折角導(dǎo)流板布置位置對脫硝反應(yīng)器入口流場均勻性的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下：煙道折角出口近壁面的導(dǎo)流板布置間距不宜過大，否則，會形成局部的煙氣偏斜聚集現(xiàn)象。中間導(dǎo)流板的布置間距應(yīng)當(dāng)相互接近，差距過大時，會出現(xiàn)煙氣局部聚集的現(xiàn)象。設(shè)計不佳的煙道折角導(dǎo)流板布置將導(dǎo)致脫硝反應(yīng)器入口速度分布得不均勻。經(jīng)過分析優(yōu)化，獲得了符合工程要求的SCR外置煙道折角導(dǎo)流板布置方案，使得脫硝反應(yīng)器入口速度不均勻系數(shù)低于15%。