SCR脫硝系統(tǒng)中不同形狀靜態(tài)混合器的流場研究

陳瑤姬，瞿煒峰，劉寒梅，葛春亮

（1.浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?，杭州 311121；2.國電寧波燃料有限公司，浙江 寧波 315800）

SCR脫硝系統(tǒng)中不同形狀靜態(tài)混合器的流場研究

陳瑤姬1，瞿煒峰2，劉寒梅1，葛春亮1

（1.浙江天地環(huán)?？萍加邢薰?，杭州 311121；2.國電寧波燃料有限公司，浙江 寧波 315800）

為提升SCR脫硝煙道進口煙氣的流場均勻性，利用FLUENT軟件對SCR脫硝系統(tǒng)中加裝不同形狀靜態(tài)混合器的流場進行研究，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)混合器可明顯改善進入催化劑的煙氣NH3/NOX分布，但對速度場無明顯改善，且會增加系統(tǒng)阻力。圓形葉片靜態(tài)混合器對流場的影響優(yōu)于方形葉片靜態(tài)混合器，更適用于脫硝系統(tǒng)。

SCR；形狀；靜態(tài)混合器；流場

0 引言

現(xiàn)有國內(nèi)SCR脫硝設備煙道進口的煙氣速度場及成分濃度場分布是不均勻的[1-3]，一般采用在AIG（噴氨格柵）前面加裝多孔板來消除煙氣的速度偏差，但煙氣成分的濃度偏差（主要指NH3與NOX混合不均勻）難以用該設備消除，因此AIG到催化劑之間的煙道長度必須足夠長，才能保證足夠的煙氣擴散、稀釋和混合時間。然而現(xiàn)有系統(tǒng)的煙道都較短，無法使NH3與NOX充分混合，使進入催化劑的NH3/NOX（物質(zhì)的量比）均勻性不盡如人意。巴威公司提出了在AIG后面加裝靜態(tài)混合器的想法，但其認為靜態(tài)混合器并不能促進煙氣流動均勻化，在其下游的煙氣流動均勻性反而會變得更差。近年國內(nèi)也有學者對SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)的靜態(tài)混合器進行了研究[4，5]，并認為其可以改善SCR反應器入口處的煙氣速度分布及NH3/NOX分布的均勻性。因此有必要研究在SCR脫硝裝置中加裝靜態(tài)混合器對流場的影響，這對靜態(tài)混合器是否能進行工程應用有著重要意義。

以下利用CFD軟件進行流場模擬，研究加裝不同外形的靜態(tài)混合器后對阻力、煙氣流速分布及NOX與NH3混合情況，為實際的工程應用提供數(shù)據(jù)基礎和根據(jù)。

1 靜態(tài)混合器計算和設計

1.1 靜態(tài)混合器計算方法

圖1為SCR脫硝系統(tǒng)中的經(jīng)典煙道布置方式，其中將混合器布置于AIG上方（即煙氣下游）。

在經(jīng)典煙道布置中，往往需要在混合器下游的彎頭處加裝導流板以提高煙氣流場的均勻性，于是有效混合距離λm與下游直管段有效距離λd相等：

圖1 經(jīng)典SCR脫硝系統(tǒng)煙道布置

式中：Dh為煙道水力當量直徑。

式中：∠V為導流板與煙氣流向的比值；B為混合器葉片近似投影阻擋面積百分比；TVA為所有導流板的面積之和與煙道截面積AD之比。

當導流板為正方形或圓形時，于是計算導流板邊長或直徑：

圖2 混合器尺寸示意

式中：N為導流板個數(shù)。個數(shù)N與煙道橫截面的長寬比有關，當長寬比在1～1.5區(qū)間及4.5以上區(qū)間內(nèi)時，個數(shù)為16個；當長寬比在1.5～2.3和3.5～4.5區(qū)間內(nèi)時，個數(shù)為12個；當長寬比在2.3～3區(qū)間內(nèi)時，個數(shù)為8個；當長寬比在3～3.5區(qū)間內(nèi)時，個數(shù)為10個。

1.2 靜態(tài)混合器設計

針對某300 MW燃煤機組的SCR脫硝系統(tǒng)，利用1.1所述的計算方法對靜態(tài)混合器進行計算和設計，得到如下結果：方形葉片靜態(tài)混合器的葉片邊長為1 020 mm×1 020 mm，圓形葉片靜態(tài)混合器的葉片直徑為1 020 mm，偏斜角度均為45°，布置在AIG母管中心線上部1 100 mm處，具體布置和尺寸見圖3。

圖3 方形與圓形靜態(tài)混合器布置和尺寸

2 數(shù)學模型

數(shù)學模型按照某發(fā)電廠脫硝裝置的實際尺寸1∶1比例進行建模計算，網(wǎng)格總數(shù)為 337萬，99.99%的網(wǎng)格扭曲度在0.82以下，網(wǎng)格的最大扭曲度僅為0.91。速度場偏差和氨氮比濃度偏差的監(jiān)測點布置在第一層催化劑上面300 mm處，與現(xiàn)場測試點的位置相同。

采用FLUENT軟件對流場進行模擬，按照1.2中脫硝裝置的實際尺寸1∶1比例進行建模計算。為便于計算，作如下假設：

（1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；

（2）系統(tǒng)絕熱；

（3）省煤器入口煙氣流場分布均勻；

（4）不考慮化學反應；

（5）將催化劑層設為多孔介質(zhì)；

（6）不考慮混合器及煙道內(nèi)壁面的摩擦。

基于上述假設，在計算中采用連續(xù)性方程、動量方程、湍流動能（k）方程、湍流動能耗散率（ε）方程、組分方程、能量方程。

速度場偏差和氨氮比濃度偏差的監(jiān)測面設置在第一層催化劑上面300 mm處，與現(xiàn)場測試點的位置相同。在求解過程中，采用松弛迭代的變松弛系數(shù)法，采用一階迎風差分，壓力-速度的耦合方式為SIMPLIC算法。

3 結果分析

此處采用的計算方法與文獻[5]和[6]中的相同，已驗證其正確性，因此計算結果具有可靠性。利用該計算方法，對SCR脫硝系統(tǒng)中不加裝混合器、加裝方形混合器和加裝圓形混合器3個工況進行了計算，3個工況除混合器加裝情況不同以外，其他參數(shù)均相同。

3.1 速度場分析

圖4為3個工況下的第一層催化劑入口前的速度云圖。由圖4（a）可見，無靜態(tài)混合器時，煙氣流場呈現(xiàn)流速大小間隔的條狀，這是由于煙氣經(jīng)過AIG多根母管造成，雖然煙氣流經(jīng)2個90°彎頭，仍無法改變煙氣流場的這種條狀分布；圖4（b）和（c）為裝有不同形狀的靜態(tài)混合器之后的流場分布，可見其與不加裝混合器的流場完全不同，條狀分布消失，呈現(xiàn)散落狀，僅在局部區(qū)域出現(xiàn)低流速，這與煙氣經(jīng)過混合器后湍流強度增加有關。

圖4 不同工況下第一層催化劑入口前的速度云圖

根據(jù)截面流場計算3個工況下的速度偏差，如表1所示。

表1 不同工況下截面速度分布偏差

由表1可知，加裝靜態(tài)混合器之后對流場的優(yōu)化與混合器形狀相關。當混合器為方形葉片時，對煙氣流場無優(yōu)化作用，反而使其趨差；當混合器為圓形葉片時，對煙氣流場起到了一定的優(yōu)化作用。

3.2 NH3/NOX偏差分析

圖5為3個工況下的第一層催化劑入口前的NH3/NOX分布云圖。由圖5可見，當沒有靜態(tài)混合器時，NH3/NOX偏差高值和偏差低值區(qū)域較大，且受到煙氣上游AIG母管的影響，仍可見較為明顯的條紋狀分布；當采用靜態(tài)混合器之后，NH3/ NOX偏差高值和偏差低值區(qū)域有所減小，分布呈現(xiàn)局部散落狀，這是由于煙氣經(jīng)過混合器時需繞流，使其湍流強度增加，同時結合煙氣原有的主速度方向，使其NH3/NOX偏差高值和低值偏向某一局部區(qū)域。

根據(jù)截面流場計算3個工況下的NH3/NOX偏差，如表2所示。

表2 3個工況的截面NH3/NOX偏差

由表2可知，加裝靜態(tài)混合器之后，第一層催化劑入口NH3/NOX偏差降低，即均勻性提升，平均較無靜態(tài)混合器的NH3/NOX偏差值降低43.6%，可見靜態(tài)混合器能夠有效地優(yōu)化NH3/NOX分布均勻性，進而提升脫硝效率；另外，方形葉片混合器和圓形葉片混合器對NH3/NOX分布均勻性的優(yōu)化能力相差不大，可認為二者在該方面能力相當。

3.3 阻力分析

對3個工況下的SCR脫硝系統(tǒng)阻力和單個混合器阻力進行計算，如表3所示。由表3可知，加裝混合器之后不可避免地會增加系統(tǒng)阻力，其中加裝方形葉片混合器增加了115 Pa，圓形葉片混合器增加了80 Pa，分別較原有系統(tǒng)阻力增加了11.7%和8.2%，增加幅度較??；計算單個混合器的阻力可知，方形葉片混合器阻力為185 Pa，圓形葉片混合器阻力為155 Pa，其阻力值大于加裝混合器之后系統(tǒng)增加的阻力值，可推知加裝混合器之后，雖然混合器本體增加了阻力，但其改善了系統(tǒng)其他區(qū)域的流場，使煙氣阻力下降，抵消了部分混合器本體所增加的阻力，其中方形葉片混合器抵消了70 Pa的阻力，圓形葉片混合器抵消了75 Pa的阻力。因此，圓形葉片混合器的阻力方面的表現(xiàn)較方形葉片混合器更佳。

圖5 不同工況的第一層催化劑入口前NH3/NOX分布云圖

表3 不同工況下的阻力情況

4 結論

（1）靜態(tài)混合器對速度偏差的改善能力弱，與其葉片形狀有密切關系，不合適的葉片形狀選擇會使煙氣的速度場均勻性變差。

（2）靜態(tài)混合器對NH3/NOX的分布均勻性改善能力較強，可使第一層催化劑前的NH3/NOX偏差值降低40%以上，其改善能力與葉片形狀關系較小。

（3）加裝靜態(tài)混合器會增加脫硝系統(tǒng)阻力，但其會改善其他區(qū)域的流場來降低本身阻力帶來的影響，其中圓形葉片混合器所增加的阻力較方形葉片混合器小。

綜上所述，圓形葉片靜態(tài)混合器較方形葉片靜態(tài)混合器更適用于脫硝系統(tǒng)。

[1]張彥軍，高翔，駱仲泱，等.SCR脫硝系統(tǒng)入口煙道設計模擬研究[J].熱力發(fā)電，2007，36（1）∶15-17.

[2]WANG JIANCHUN.Comprehensive solution to flue gas desulfurization and denitration of circulating fluideized bed boiler[J].Meteorological and Environmental Research, 2014，5（7）∶31-33.

[3]王偉.SCR脫硝反應器入口煙道流場模擬研究[D].濟南：山東大學，2010.

[4]吳志強，陶磊，李國明，等.600 MW機組主汽調(diào)節(jié)閥組CFD流場分析及降壓損改進[J].浙江電力，2014，33（3）∶42-45.

[5]沈嵐.135 MW燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)的設計[J].浙江電力，2016，35（1）∶61-65.

[6]洪文鵬，蘭江.SCR脫硝系統(tǒng)靜態(tài)混合器數(shù)值模擬[J].鍋爐技術，2014，45（3）∶68-73.

[7]吳衛(wèi)紅，徐甸，蘇傳城，等.X型靜態(tài)混合器流場數(shù)值模擬研究[J].能源工程，2015（5）∶45-49.

[8]裴煜坤，吳衛(wèi)紅.V型噴氨混合裝置結構優(yōu)化研究[J].能源工程，2013（4）∶49-53.

Research on Stream Field of Static Mixer with Different Shapes in SCR Denitration System

CHEN Yaoji1，QU Weifeng2，LIU Hanmei1，GE Chunliang1
（1.Zhejiang Tiandi Environmental Protection Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311121，China；2.Guodian Ningbo Fuel Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315800，China）

∶In order to improve the flow field uniformity of the inlet gas from SCR denitrification flue，F(xiàn)LUENT software is used to study the flow field with static mixers of various shapes in SCR denitrification system. It is found that the static mixer can improve the distribution of flue gas NH3/NOXin catalyst，but can hardly improve the speed field and increase the system resistance.The effect of circular-blade static mixer on flow field is better than that of square-blade static mixer,and is more suitable for denitrification system.

∶SCR；shape；static mixer；flow field

.201704010

1007-1881（2017）04-0040-05

：TK212+.3

：A

2016-12-12

陳瑤姬（1984），女，高級工程師，從事燃煤發(fā)電廠脫硫脫硝技術工作。

（本文編輯：陸 瑩）

浙江省重大科技專項（2014C03018），百萬燃煤機組煙氣超低排放研究及示范項目