基于CFD方法的SCR系統(tǒng)多孔板優(yōu)化布置研究

張巍　劉國富　沈德魁　肖睿

摘 要：該文以某工業(yè)鍋爐SCR系統(tǒng)為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了不同壓力損失多孔板對改善SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面流場及濃度場均勻分布特性的作用規(guī)律。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，隨著多孔板壓損的增加，首層催化劑入口截面的速度偏差呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢，濃度偏差呈現(xiàn)出首先急劇下降，隨后略微上升的變化趨勢。同時(shí)考慮到系統(tǒng)壓損增加等因素，該文分析認(rèn)為100 Pa為多孔板優(yōu)化布置的最佳壓力損失，優(yōu)化前后首層催化劑入口截面速度偏差降低約4.57%，濃度偏差顯著降低約23.74%。

關(guān)鍵詞：SCR系統(tǒng) 多孔板 數(shù)值模擬 優(yōu)化布置

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0048-03

氮氧化物（NOx）是一種重要的大氣污染物，它們不僅會(huì)污染空氣誘發(fā)人類呼吸系統(tǒng)疾病、產(chǎn)生光化學(xué)煙霧威脅人類生命，而且還是造成酸雨、臭氧層空洞的重要原因[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國廢氣中氮氧化物排放總量約為2 227.4萬t，工業(yè)氮氧化物排放量達(dá)到了1 545.6萬t，約占排放總量的69.39%[2]，而其中燃煤電廠和工業(yè)鍋爐排放的氮氧化物量占據(jù)了95%以上，因此控制燃煤鍋爐的NOx排放量具有重要的意義[3]。

選擇性催化還原脫硝（SCR）技術(shù)具有脫硝效率高、裝置簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[4]，在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛，已成為煙氣脫硝的主流技術(shù)，保證均勻的煙氣流場分布及良好的氨氮混合比是SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[5]。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外很多SCR系統(tǒng)研究者都在反應(yīng)器設(shè)計(jì)工作中運(yùn)用CFD技術(shù)對反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。王為術(shù)等[6]基于FLUENT對600 MW燃煤鍋爐SCR系統(tǒng)的導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果表明導(dǎo)流板的優(yōu)化布置確實(shí)可以顯著改善系統(tǒng)內(nèi)的速度及濃度偏差；Lei等[7]基于CFD技術(shù)建立了整體式蜂窩催化劑的全尺寸物理模型，并得到了最佳的催化劑層布置間距；Gao等基于CFD技術(shù)對某600 MW機(jī)組SCR系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析認(rèn)為導(dǎo)流板及靜態(tài)混合器的布置可以顯著提升系統(tǒng)脫硝性能，計(jì)算所得速度及濃度偏差符合工程要求。

該文以某工業(yè)鍋爐為研究對象，基于CFD數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了多孔板優(yōu)化布置對于改善系統(tǒng)內(nèi)流場及濃度場分布特性的作用規(guī)律，為SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

1 物理模型與計(jì)算條件

1.1 物理模型

該文建立了某SCR系統(tǒng)三維全尺寸幾何模型，如圖1所示，采用四（六）面體網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到噴嘴尺寸相對較小，為了精確考察噴嘴噴射情況，該文將噴嘴出口段的煙道網(wǎng)格進(jìn)行了加密，最終所劃分網(wǎng)格總數(shù)約為410萬。

1.2 數(shù)值計(jì)算條件

根據(jù)該工程的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，在滿足工程要求條件下，為便于CFD模擬計(jì)算，對該SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣狀況及計(jì)算參數(shù)做一系列簡化，如將煙氣視為不可壓縮牛頓流體等。數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用k-ε模型模擬氣體湍流流動(dòng)，采用物質(zhì)輸運(yùn)模型模擬多種物質(zhì)的混合，采用多孔介質(zhì)模型模擬多孔板、凝渣管束、旗式受熱面、催化劑層壓等，以產(chǎn)生等效壓降。計(jì)算入口采用速度入口邊界條件，核算計(jì)算煙氣量為231 700 Nm3/h，入口煙氣溫度為623 K；計(jì)算出口采用壓力出口邊界條件；固體壁面、導(dǎo)流板和整流格柵等處的壁面均設(shè)為Wall；噴氨入口為速度入口，溫度為300 K。此外，將煙氣簡化為N2、NO、SO2、H2O、O2的混合物，將氨空混合氣簡化為N2、O2及NH3的混合物，其具體取值根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行條件獲得。

為評價(jià)SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，該文采用標(biāo)準(zhǔn)偏差百分量的概念對速度及濃度場分布特性進(jìn)行表征，其計(jì)算方法如下：

其中：；。

基于上述條件，該文分別設(shè)計(jì)了無多孔板優(yōu)化布置、100 Pa多孔板優(yōu)化布置及200 Pa多孔板優(yōu)化布置3類數(shù)值試驗(yàn)工況，綜合研究多孔板優(yōu)化布置對于改善SCR系統(tǒng)流場及濃度場分布的作用規(guī)律。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 無多孔板布置CFD數(shù)值模擬研究

圖2為無多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷條件下SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的速度及濃度分布特性。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)工況下此截面內(nèi)的速度偏差Cv約為32.1%，濃度偏差Cv約為45.18%。由此可以看出，該SCR系統(tǒng)內(nèi)無多孔板布置時(shí)，首層催化劑入口截面的速度、濃度分布均勻性較差，難以滿足工程技術(shù)要求。

2.2 壓損100 Pa多孔板優(yōu)化布置CFD數(shù)值模擬研究

圖3為100 Pa多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷條件下SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的速度及濃度分布特性。

通過圖3可以看出，該設(shè)計(jì)工況下此截面內(nèi)的速度偏差Cv約為30.07%，濃度偏差Cv約為20.48%。由此該文認(rèn)為壓損100 Pa多孔板的優(yōu)化布置可顯著改善系統(tǒng)內(nèi)的濃度分布特性，優(yōu)化前后濃度偏差Cv大幅降低約24.7%，這對于改善SCR系統(tǒng)的濃度場均勻性效果顯著。此外，壓損100 Pa多孔板的優(yōu)化布置對于流場均勻性也有一定的改善作用。

2.3 壓損200 Pa多孔板優(yōu)化布置CFD數(shù)值模擬研究

為進(jìn)一步研究不同壓損多孔板對改善SCR系統(tǒng)流場及濃度場分布特性能力的優(yōu)劣，該文設(shè)計(jì)了壓損200 Pa多孔板優(yōu)化布置工況。圖4為200 Pa多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷條件下SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的速度及濃度分布特性。

由圖4可以看出，壓損200 Pa多孔板優(yōu)化布置工況滿負(fù)荷工況下，首層催化劑入口截面內(nèi)的速度偏差Cv約為27.53%，濃度偏差Cv約為21.44%。對比于100 Pa多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷工況，其速度偏差略有降低，濃度偏差略有升高，這說明增加多孔板壓降損失對于改善SCR系統(tǒng)流場分布均勻性有一定效果，但多孔板壓降的增加不利于濃度場的分布均勻性。

2.4 CFD數(shù)值模擬結(jié)果對比討論

綜合上述數(shù)值模擬結(jié)果，該文得到了多孔板優(yōu)化布置對改善SCR系統(tǒng)流場及濃度場分布特性的作用規(guī)律，如圖5所示。

通過圖5可以看出，隨著多孔板壓降損失的增加，SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的濃度偏差首先急劇下降，隨后略微上升，當(dāng)多孔板壓損超過約100 Pa時(shí)，進(jìn)一步增加多孔板壓降對改善濃度場均勻性的能力不佳，甚至不利于濃度場的均勻性分布；同時(shí)，隨著多孔板壓損的增加，該截面內(nèi)的速度偏差呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢，但速度偏差下降的程度相對較小。值得注意的是，隨著多孔板壓損的增加，會(huì)造成SCR系統(tǒng)整體壓降的增加，這直接會(huì)導(dǎo)致增加風(fēng)機(jī)能耗，不利于鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，綜合速度、濃度偏差及壓損增加等多方面考慮，該文認(rèn)為當(dāng)多孔板壓損約為100 Pa時(shí)，既可保證系統(tǒng)內(nèi)速度及濃度偏差在合適的范圍之內(nèi)，又可避免系統(tǒng)壓降增加過大，100 Pa是最佳的多孔板優(yōu)化布置壓力損失。

3 結(jié)論

（1）SCR系統(tǒng)內(nèi)多孔板的優(yōu)化布置可以改善系統(tǒng)內(nèi)流場及濃度場的均勻分布特性，隨著多孔板壓損的增加，首層催化劑入口截面的速度偏差呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢，濃度偏差呈現(xiàn)出首先急劇下降，隨后略微上升的變化趨勢。

（2）100 Pa為SCR系統(tǒng)內(nèi)多孔板優(yōu)化布置的最佳壓力損失，既可以保證SCR系統(tǒng)內(nèi)速度及濃度偏差在合適的范圍之內(nèi)，又可避免系統(tǒng)壓降增加過大，可保證SCR系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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