SCR脫硝裝置中整流格柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)

沈 雷，韓娟娟

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

SCR脫硝裝置中整流格柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)

沈 雷，韓娟娟

（江蘇科行環(huán)保科技有限公司，江蘇 鹽城 224051）

基于CFD模擬軟件對(duì)某選擇性催化還原（SCR）脫硝裝置進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了不同整流格柵間距、形式對(duì)反應(yīng)器上部流場的影響。以不同高度截面的煙氣速度變異系數(shù)CV和最大煙氣入射角為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，給出了滿足性能要求的整流格柵設(shè)計(jì)參數(shù)范圍以及最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

選擇性催化還原法;整流格柵;優(yōu)化設(shè)計(jì);CFD

前言

整流格柵是選擇性催化還原法SCR脫硝系統(tǒng)中重要的功能部件[1，2]，其作用一是通過煙氣在格柵內(nèi)的碰撞、整合作用，將進(jìn)入格柵前水平方向流動(dòng)的煙氣調(diào)整為豎直向下流動(dòng)；二是將進(jìn)入格柵前較差的煙氣速度分布整合得相對(duì)均勻。這兩個(gè)作用對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)具有重要的意義，煙氣在催化劑前控制在一定范圍內(nèi)的入射角能夠避免催化劑表面被過度沖刷，使催化劑壽命得到保障，而速度分布的均勻性則是催化劑能被充分利用，達(dá)到理想脫硝效率的關(guān)鍵[3]。因此，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)中整流格柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分必要。

本文對(duì)某300MW機(jī)組的SCR裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過改變整流格柵的間距及其形式，分析了不同整流格柵結(jié)構(gòu)對(duì)其下游煙氣分布和煙氣入射角的影響，給出了可以滿足性能需求的設(shè)計(jì)范圍及最優(yōu)方案，對(duì)于整流格柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

1 數(shù)值模擬

采用三維建模軟件建立與實(shí)際裝置等比例的幾何模型，建模范圍為SCR進(jìn)口至反應(yīng)器出口（如圖1所示）。由于導(dǎo)流板及整流格柵的厚度遠(yuǎn)小于反應(yīng)器及煙道尺度，故建模時(shí)將其厚度忽略。網(wǎng)格劃分時(shí)，Z向平面網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化結(jié)合的方式劃分，然后由Cooper方式生成體網(wǎng)格，最終網(wǎng)格總數(shù)約為250萬個(gè)。

圖1 SCR脫硝裝置幾何模型

數(shù)值計(jì)算采用Fluent軟件，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，氨氣與煙氣的混合過程采用Species Transport模型，邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口與壓力出口。根據(jù)煙氣參數(shù)和裝置尺寸，設(shè)置進(jìn)口速度為12m/s，進(jìn)口溫度為660K，水力直徑為4.5m；AIG噴口速度為8.4m/s，水力直徑為3.2m；反應(yīng)器出口水力直徑為4m。本文計(jì)算不考慮催化劑層阻力。

2 定量分析

首層催化劑上游的速度入射角度、煙氣及氨氣濃度分布均勻性是保證脫硝性能的關(guān)鍵因素。采用變異系數(shù)CV對(duì)速度及濃度的均勻性作定量分析，其定義是標(biāo)準(zhǔn)偏差與算術(shù)平均值之比，可反映出一組測量數(shù)據(jù)的離散程度[4]。就本文而言，CV越小說明截面上速度或濃度的分布越均勻，偏離平均值的數(shù)據(jù)點(diǎn)越少。煙氣入射角即煙氣偏離垂直向下方向的角度，將該角最大值α作為速度矢量的定量分析指標(biāo)。對(duì)于速度CV、濃度CV以及α的優(yōu)化目標(biāo)如下表所示。

CFD流場模擬定量分析指標(biāo)[4]

需要說明的是，由于氨氣濃度CV的大小主要取決于AIG上游的煙氣速度分布，控制其大小的措施是通過合理布置導(dǎo)流板優(yōu)化AIG上游流場[5]，與整流格柵的形式變化關(guān)系不大，因此下文對(duì)整流格柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將以速度CV和最大入射角α作為指標(biāo)，在最終確定的最優(yōu)方案中將給出完整的定量指標(biāo)結(jié)果。

3 結(jié)果分析

3.1 整流格柵間距對(duì)流場的影響

本文選取D = 90、120、150、200、300（mm）五種整流格柵間距進(jìn)行了模擬，并分別給出自整流格柵進(jìn)口向其下游延伸至L = 1000、1500、2000、2500、3000（mm）五個(gè)不同高度處截面上的煙氣速CV和最大煙氣入射角α的計(jì)算結(jié)果。

圖2為整流格柵間距D對(duì)不同高度截面上的α的影響。

圖2所示的五個(gè)不同形狀分別代表了L的不同取值（如，L = 1000mm即表示標(biāo)高比整流格柵進(jìn)口高度低1000mm的反應(yīng)器內(nèi)截面），給出不同L的計(jì)算結(jié)果是為了便于確定不同D對(duì)應(yīng)下可接受的首層催化劑安裝位置。由圖2可見，相同L對(duì)應(yīng)下，α與D呈正相關(guān)，相同間距D對(duì)應(yīng)下，α與L呈負(fù)相關(guān)。虛線下方為滿足α＜10°的設(shè)計(jì)參數(shù)點(diǎn)，可見過大間距將導(dǎo)致煙氣入射角超標(biāo)，僅當(dāng)D＜120mm時(shí)才能滿足α的指標(biāo)要求，且當(dāng)D = 120mm時(shí)α = 10°，即此時(shí)首層催化劑高度不可高于L = 1000mm對(duì)應(yīng)的截面。

圖2 整流格柵間距對(duì)不同高度截面上的最大煙氣入射角的影響

圖3 整流格柵間距對(duì)不同高度截面上的煙氣速度變異系數(shù)的影響

圖3為整流格柵間距D對(duì)不同高度截面上的煙氣速度分布的影響。當(dāng)D≤120mm時(shí)，各高度截面均滿足CV≤15%的性能要求，并且具有CV隨著截面高度的降低而減小的規(guī)律。而當(dāng)D＞120mm時(shí)，僅部分高度截面可滿足要求，且隨著截面的高度降低CV呈先減后增趨勢，說明這時(shí)未能使其整流格柵下游流場得到有效控制，設(shè)計(jì)參數(shù)不宜采納。

綜合以上整流格柵間距對(duì)煙氣速度CV及最大煙氣入射角的影響可得出：D≤120mm為較合理的間距設(shè)計(jì)范圍。

3.2 整流格柵形式對(duì)流場的影響

根據(jù)圖3 ， 盡管D＜120mm時(shí)可滿足煙氣速度CV＜15%，但總體上有些偏高。以 D＜120mm的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，嘗試通過對(duì)整流格柵形式的改進(jìn)以進(jìn)一步優(yōu)化速度分布情況。圖4為改進(jìn)前后的整流格柵形式，其中圖4a為上文分析計(jì)算采用的結(jié)構(gòu)形式，圖4b在a的基礎(chǔ)上將整流格柵整體提高了150mm，并將左側(cè)（靠近進(jìn)氣方向）的格柵設(shè)計(jì)為傾斜結(jié)構(gòu)，此改進(jìn)是通過對(duì)整流格柵下游的速度矢量分析后提出的。

圖4 改進(jìn)前后整流格柵的形式

圖5為D=90mm和D=120mm時(shí)，整流格柵形式改進(jìn)前后不同高度截面上的煙氣速度變異系數(shù)CV的變化情況?？梢姡鄬?duì)D=120mm，D=90mm時(shí)此改進(jìn)對(duì)減小煙氣速度CV的效果更為顯著，各高度截面的CV均達(dá)到8%以下。

圖5 整流格柵改進(jìn)前后對(duì)煙氣速度CV的影響

圖6為改進(jìn)前后不同高度截面上的最大煙氣入射角的變化情況。兩種間距條件下，改進(jìn)后各截面的α均有所減小，其中D = 90mm時(shí)減幅更大，L≥1.5m后α始終小于3.5°。綜上，D = 90mm時(shí)，改進(jìn)后的整流格柵結(jié)構(gòu)為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

圖6 整流格柵改進(jìn)前后對(duì)最大煙氣入射角的影響

3.3 最優(yōu)方案的各指標(biāo)模擬結(jié)果

圖7為整流格柵采用最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)其下游不同高度截面的煙氣流速分布。由L = 1000mm到L = 3000mm，速度分布趨于均勻，截面上絕大部分速度均處在3.8～4.25之間，與理論預(yù)測的反應(yīng)器內(nèi)平均流速4m/s相符，各截面的煙氣流速CV結(jié)果如圖7中所示，與圖5中實(shí)心圓的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)。

圖7 最優(yōu)方案時(shí)反應(yīng)器內(nèi)各高度截面的速度分布

圖8為整流格柵采用最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)其下游不同深度截面的氨氣濃度分布。隨著高度降低，濃度分布趨于均勻，濃度變異系數(shù)CV逐漸減小，各截面的CV值如圖9，均小于性能指標(biāo)要求的CV≤5%。

圖9為整流格柵采用最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)其下游不同深度截面的煙氣入射角分布。隨著高度降低，煙氣入射角減小，最大角α與圖6對(duì)應(yīng)。

圖8 最優(yōu)方案時(shí)反應(yīng)器內(nèi)各高度截面的氨氣濃度分布

圖9 最優(yōu)方案時(shí)反應(yīng)器內(nèi)各高度截面的最大煙氣入射角

4 結(jié)論

基于CFD模擬結(jié)果，以整流格柵下游的速度矢量與速度分布均勻性為指標(biāo)，對(duì)SCR裝置中整流格柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，結(jié)論如下：

（1）整流格柵間距越大，其下游煙氣入射角度越大，煙氣速度分布均勻性越差，能滿足指標(biāo)要求的反應(yīng)器內(nèi)截面高度越低，可接受的首層催化劑的安裝位置越靠下。整流格柵間距小于120mm為可接受的設(shè)計(jì)參數(shù)范圍。

（2）將靠近煙氣側(cè)的整流格柵設(shè)計(jì)為傾斜結(jié)構(gòu)可緩解反應(yīng)器中靠進(jìn)氣側(cè)的流速偏低現(xiàn)象，提高煙氣流速均勻性。并且整流格柵間距越小，此改進(jìn)方式的效果越顯著。

[1] 林剛，金強(qiáng)，許媛媛，等.基于CFD的SCR脫硝裝置整流格柵的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].控制工程，2011（S1）.

[2] 汪洋，崔一塵，吳樹志，等.脫硝反應(yīng)器煙氣整流格柵流場數(shù)值模擬研究[J].熱力發(fā)電，2009（11）.

[3] 陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)—選擇性催化劑還原法[M].北京：中國電力出版社，2008.

[4] 夏懷祥，段傳和.選擇性催化劑還原法（SCR）煙氣脫硝[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5] 王偉.SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道流場模擬研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2011.

Optimizing Design of Commutating Grid in SCR Denitration Equipment

SHEN Lei, HAN Juan-juan
(Jiangsu Kehang Environmental Techno logies Co., Ltd, Yancheng Jiangsu 224051, China)

Based on the CFD simulating so ftware, nume ricalvalue simulation is made on selective catalytic reduction (SCR) denitration equipment. The paperana lyzes the impact of different bay of commutating grid and form on upperfow feld of reactor. The paper takes the fuegas CV and the mostfue gasangle of incidence from different height and sections as a quantitative evaluation target and presents the satisfed parameter range of commutating griddesign and the most optimizing design scheme.

SCR; commutating grid; optim izing design; CFD

X701

A

1006-5377（2014）05-0048-04