SCR系統(tǒng)流場優(yōu)化數(shù)值模擬研究

王海川，曾祥浩，廖艷芬，田云龍，馬曉茜

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

NOx作為熱力發(fā)電廠燃燒的重要污染物，日益受到重視。其中選擇性催化還原技術(shù)(SCR)作為重要成熟的脫硝技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[1-4]。由于SCR系統(tǒng)有多個(gè)轉(zhuǎn)彎和附屬設(shè)備，所以流場較為復(fù)雜。SCR脫硝系統(tǒng)流場速度的分布情況很大程度上影響催化劑的催化效果和噴氨格柵噴氨的混合均勻程度，進(jìn)而影響SCR反應(yīng)器的脫硝效率和氨逃逸率。SCR反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流板的形狀、結(jié)構(gòu)和布置方式等是影響SCR反應(yīng)器速度場均勻性的重要因素[5-6]。

與現(xiàn)場試驗(yàn)相比，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)具有成本低、適應(yīng)性廣、耗時(shí)短等優(yōu)勢，目前國內(nèi)外學(xué)者對SCR反應(yīng)器的數(shù)值模擬工作較多。張鵬[7]通過對火電廠SCR反應(yīng)器性能優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)隨煙氣速度升高，脫硝效率明顯下降，氨逃逸率增加；噴氨孔直徑的增加會(huì)使氨逃逸率降低。薛璐[8]對SNCR-SCR耦合技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過添加導(dǎo)流板和格柵等方式，可使出口煙氣速度偏差降低。Shang等[9]通過大渦模擬(LES)發(fā)現(xiàn)SCR反應(yīng)器瞬時(shí)速度場由各種小的再循環(huán)區(qū)和多個(gè)渦旋組成，并呈周期性變化；氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的周期性波動(dòng)行為表明氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布取決于速度分布。

目前對SCR流場優(yōu)化多采用現(xiàn)場試驗(yàn)方式，結(jié)合數(shù)值模擬的優(yōu)化研究較少。本文以華南地區(qū)某燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對象，研究煙道導(dǎo)流板形狀和布置方式等因素對SCR反應(yīng)器內(nèi)流場的影響，為優(yōu)化SCR反應(yīng)器的流場氣流組織情況，合理設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器導(dǎo)流板和整流板提供技術(shù)參考。

1 反應(yīng)機(jī)理

選擇性催化還原(SCR)的原理主要是在合適的溫度和催化劑催化條件下，還原劑、氨和尿素等將NOx轉(zhuǎn)化為N2和H2O。脫硝反應(yīng)主要包括以下過程：進(jìn)入SCR反應(yīng)器催化劑層的煙氣均勻程度很大程度上影響催化劑層的催化效率[10]。若煙氣不均勻通過催化劑層，不同位置催化劑參與催化反應(yīng)的時(shí)間不同，造成不必要浪費(fèi)；同時(shí)煙氣氣流不均勻、氣流組織情況差會(huì)導(dǎo)致催化劑出現(xiàn)沖蝕，加劇催化劑損耗，導(dǎo)致催化劑堆積和堵塞。由于SCR反應(yīng)器內(nèi)所用催化劑昂貴，所以優(yōu)化SCR反應(yīng)器內(nèi)流場對于延長催化劑使用壽命、提高催化反應(yīng)的反應(yīng)物接觸程度、提高脫硝效率和降低氨逃逸率十分重要。選擇性催化還原(SCR)脫硝反應(yīng)主要的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理[11]如下：

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(2)

(3)

(4)

2 模擬對象

本文針對華南地區(qū)某350 MW燃煤鍋爐SCR系統(tǒng)，研究反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流板布置情況對進(jìn)入催化劑層煙氣均勻性的影響。SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。為減少煙氣突然轉(zhuǎn)向帶來的速度不均勻性,催化劑層頂端采用斜頂設(shè)計(jì)。

圖1 SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of SCR reactor structure

催化劑采用蜂窩式催化劑，其中有效成分為TiO2、V2O5和WO3。反應(yīng)器總體尺寸如圖2所示。為保證模型的合理性、數(shù)值計(jì)算的收斂性和快速性，對噴氨格柵進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚韀12]，沿與煙氣氣流水平方向布置9根噴管，每個(gè)噴管上布置14個(gè)噴嘴。每個(gè)噴嘴的直徑為0.01 m。該反應(yīng)器內(nèi)催化劑層分為3層(其中最下層為備用反應(yīng)層)。

圖2 噴氨格柵示意Fig.2 Schematic diagram of ammonia spray grid

導(dǎo)流板在SCR反應(yīng)器內(nèi)分3組布置，分別為入口導(dǎo)流板、左側(cè)導(dǎo)流板和右側(cè)導(dǎo)流板，各組導(dǎo)流板均布置在SCR反應(yīng)器拐角處。其中入口導(dǎo)流板和左側(cè)導(dǎo)流板之間布置有噴氨格柵。

3 數(shù)學(xué)模型和修正算法

針對SCR反應(yīng)器的流場優(yōu)化數(shù)值模擬研究，湍流模型采用Realizablek-ε模型，采用拉格朗日-顆粒隨機(jī)軌道模型模擬飛灰顆粒的運(yùn)動(dòng)，多種組分的混合過程采用組分輸運(yùn)模型。催化劑層的蜂窩狀結(jié)構(gòu)采用多孔介質(zhì)模型，其中沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向的空隙較大，其他方向的空隙較小。煙氣視為不可壓縮氣體，滿足連續(xù)介質(zhì)假設(shè)；為方便計(jì)算，假定SCR反應(yīng)器入口處的氣體速度場分布均勻[13]。

3.1 網(wǎng)格劃分

SCR反應(yīng)器的物理模型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以采用分區(qū)域劃分的混合網(wǎng)格。計(jì)算域劃分為入口導(dǎo)流板區(qū)域、噴氨區(qū)域、左右導(dǎo)流板區(qū)域和催化劑層區(qū)域(圖3)，針對不同區(qū)域的幾何形狀特點(diǎn)和網(wǎng)格適應(yīng)性，催化劑層區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于噴氨格柵不是SCR反應(yīng)器整體氣流組織優(yōu)化的重點(diǎn)研究區(qū)域，同時(shí)噴氨格柵網(wǎng)格的生成會(huì)極大增加數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜性。所以該區(qū)域不生成網(wǎng)格，但其幾何結(jié)構(gòu)仍然構(gòu)建。由于反應(yīng)器拐角處會(huì)形成渦流，所以針對拐角處網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密。為了兼顧數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和快速性，總體網(wǎng)格數(shù)量在180萬左右。

圖3 SCR反應(yīng)器網(wǎng)格劃分Fig.3 SCR reactor grid division

3.2 邊界條件

根據(jù)該生活垃圾焚燒電廠實(shí)際運(yùn)行情況，速度入口為35 m/s，飛灰質(zhì)量流量為10 kg/s，溫度為300 K。固體壁面、導(dǎo)流板采用無滑移邊界條件；飛灰顆粒采用Rosin-Rammler分布，飛灰顆粒最小直徑為5 μm，最大直徑為250 μm，平均直徑為80 μm，分布指數(shù)為1.2。煙氣入口采用速度入口(velocity-inlet)，出口設(shè)置為outflow，反應(yīng)器壁面和導(dǎo)流板和整流板均設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)壁面方程、無滑移邊界條件(wall)。催化劑層采用多孔介質(zhì)模型[14]，孔隙率設(shè)置為0.9。煙氣出口成分見表1。

表1 煙氣出口成分

每個(gè)工況無飛灰顆粒冷態(tài)計(jì)算到3 500步收斂，加入離散相再計(jì)算3 500步至收斂。

為更好地量化評價(jià)煙氣通過催化劑層的均勻性，工程上用速度相對偏差衡量煙氣均勻程度[15]。通過截取催化劑層上方的截面云圖，隨機(jī)截取若干點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)值xi(i=0～n，n為樣本點(diǎn)數(shù),n=1 000)。

(5)

(6)

(7)

相關(guān)研究表明，催化劑磨損率與飛灰質(zhì)量濃度、煙氣入射角、煙氣流速、飛灰直徑相關(guān)[16]。

4 結(jié)果分析

4.1 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)方案的選取

SCR反應(yīng)器本身結(jié)構(gòu)彎道較多，加裝導(dǎo)流板可以減少氣流經(jīng)過彎道處的局部損失，減少流體經(jīng)過彎道時(shí)的分離現(xiàn)象和渦旋帶來的能量耗散，進(jìn)而提高進(jìn)入催化劑層的流場均勻特性。針對具體的SCR反應(yīng)器特點(diǎn)，需要對導(dǎo)流板的形狀進(jìn)行選擇。導(dǎo)流板的布置形狀通常包括直-弧-直形、直-弧形、弧形和弧-直形4種形狀(圖4)[17]。通過對4個(gè)工況速度場的數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板的存在可使SCR反應(yīng)器內(nèi)氣流組織更加合理，減小拐彎處出現(xiàn)的邊界層分離現(xiàn)象。

圖4 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)方案Fig.4 Deflector structure scheme

由于煙道入口較窄而催化劑層通道相對較寬，所以轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)回流現(xiàn)象。通過對水平段和催化劑層入口處截面的速度場云圖分析(圖5～7)，發(fā)現(xiàn)直-弧-直布置方式可以更好地降低速度偏差，提高速度場均勻性。這主要是由于豎直導(dǎo)板存在進(jìn)一步引導(dǎo)通過弧形導(dǎo)板的氣流，減少回流現(xiàn)象。通過對速度場云圖分析發(fā)現(xiàn)，前2組導(dǎo)流板中入口導(dǎo)流板和前導(dǎo)流板都能起到較好的引導(dǎo)作用；右導(dǎo)流板的引導(dǎo)作用較差。對比第1彎道和第2彎道的導(dǎo)流效果發(fā)現(xiàn)，直-弧-直形對于直角彎道的導(dǎo)流效果較好，其他方案在管道內(nèi)側(cè)都存在較大的低速區(qū)，煙氣通過時(shí)能量耗散和局部損失較大。

圖5 不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)方案中心截面速度云圖Fig.5 Velocity cloud chart of central section velocityin different structural schemes of deflector

圖6 不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)方案上層催化劑入口截面速度云圖Fig.6 Velocity cloud chart of upper catalyst inlet sectionin different deflector structure schemes

圖7 不同導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)方案左側(cè)導(dǎo)流板后截面速度云圖Fig.7 Rear section velocity cloud diagram of the leftdeflector in different baffle structure schemes

即使采用直-弧-直形導(dǎo)流板方案，催化劑層速度場截面的速度相對偏差仍達(dá)到18.84%，第3彎頭處仍形成較大的回流區(qū)，無法滿足實(shí)際工程要求，其主要在于SCR反應(yīng)器為防止煙氣流通面積突然增大帶來的渦流現(xiàn)象而采用了斜頂設(shè)計(jì)，而右導(dǎo)流板無法均勻分配流量，所以形成局部低壓區(qū)和低速區(qū)，造成速度場不穩(wěn)定。

4.2 導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化

為進(jìn)一步增加氣流的均勻性，減少對催化劑的沖蝕，需要針對幾何結(jié)構(gòu)特性對右側(cè)導(dǎo)流板重新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步強(qiáng)化右導(dǎo)流板的引導(dǎo)作用，使各通道的流量分配更加合理。

由于煙氣進(jìn)入催化劑層前經(jīng)過轉(zhuǎn)向，在離心作用和慣性力的作用下左側(cè)壁面形成一個(gè)壓力較低的渦流區(qū)，導(dǎo)致氣流組織比較混亂。針對該反應(yīng)器的幾何特點(diǎn)，改進(jìn)右導(dǎo)流板形狀。取消弧形部分，改為傾斜段，且導(dǎo)流板傾斜角度與壁面傾斜角度相同。分別采用甲、乙2種方案對右側(cè)導(dǎo)流板改進(jìn)，具體如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后的右側(cè)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)Fig.8 Improved right deflector design

方案甲將所有外側(cè)導(dǎo)流板全部布置成傾斜段，方案乙保留最內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板的“直-彎-直”設(shè)計(jì)，其他導(dǎo)流板改成傾斜段。中心截面和上層催化劑入口截面速度云圖分別如圖9、10所示。

圖9 中心截面速度云圖Fig.9 Center section velocity cloud

圖10 上層催化劑入口截面速度云圖Fig.10 Upper catalyst inlet section velocity cloud map

對比2種方案，方案乙速度場的低速區(qū)面積明顯減小。其中方案甲的流場在最外側(cè)形成較大回流區(qū)和低速區(qū)，這主要是由于最外側(cè)導(dǎo)流板和反應(yīng)器壁面構(gòu)成的煙氣通道流通面積急劇增大，在慣性力和離心作用的共同作用下通道外側(cè)的速度遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)速度，所以產(chǎn)生較大的回流區(qū)。方案乙由于第3彎道最內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板保持原有設(shè)計(jì)，所以最內(nèi)側(cè)通道仍保持較大速度，回流區(qū)位置向右偏移且相對速度偏差有所降低。速度相對偏差分析表明，方案甲速度相對偏差為19.08%，方案乙速度相對偏差為15.47%。因此，方案乙采用的右側(cè)導(dǎo)流板優(yōu)化方案速度場更加均勻。

4.3 整流板層對流場的影響

對導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，速度偏差仍較大，需要在催化劑層前布置整流板，削弱第3彎道區(qū)的渦旋。整流板層通常布置在催化劑層前，雖然一定程度上增加壓降，但可以改善通過催化劑層流場的均勻性和顆粒對于催化劑層沖蝕帶來的損耗[18]。采用改進(jìn)后的直-弧-直形(方案乙)作為右側(cè)導(dǎo)流板，加裝整流板后對速度場進(jìn)行分析，在催化劑層上方布置整流板進(jìn)一步強(qiáng)化對流體的引導(dǎo)。分別布置9、15、19塊導(dǎo)流板(分別對應(yīng)工況1、2和3)。

不同整流板結(jié)構(gòu)方案中心截面、上層催化劑入口截面速度云圖如圖11、12所示?？芍?，整流板對催化劑層上側(cè)區(qū)域的流體起更好的引導(dǎo)作用。由于外側(cè)流速較高，內(nèi)側(cè)流速較低，所以不加裝導(dǎo)流板氣流對催化劑層右側(cè)催化劑的沖蝕較為強(qiáng)烈。加裝整流板后高速區(qū)的面積減小，回流現(xiàn)象改善。整流板可以對渦流區(qū)進(jìn)行切割，更好地分配各個(gè)通道的流量。3組工況的速度偏差系數(shù)分別為8.63%、6.68%和9.26%。這表明在催化劑層前布置整流板后，速度場的均勻性大幅提高。整流板數(shù)量增加到19塊時(shí)，速度均勻性反而降低。這可能是由于導(dǎo)流板布置過多，煙氣通過導(dǎo)流板層受到的黏性力更為顯著，平均速度顯著降低。3個(gè)工況對應(yīng)的速度標(biāo)準(zhǔn)差差別不大，但導(dǎo)流板為19塊時(shí)平均速度顯著偏小。煙氣氣流和擋板之間的黏性力導(dǎo)致貼近整流板壁面和2個(gè)導(dǎo)流板之間的煙氣的速度差異更為顯著，所以整流板布置過多反而增加了能量耗散和速度場不均勻性。因此，整流板數(shù)量15塊較為合適。

圖11 不同整流導(dǎo)板結(jié)構(gòu)方案中心截面速度云圖Fig.11 Flow velocity cloud chart of the center sectionin different rectification guides

圖12 不同整流板結(jié)構(gòu)方案上層催化劑入口截面速度云圖Fig.12 Cross section velocity cloud chart of uppercatalyst inlet in different rectifying plate structure schemes

4.4 飛灰顆粒對流場的影響

電廠SCR系統(tǒng)通常采用高溫高灰布置，這種布置方式可以較好地滿足催化劑的活性溫度，但易造成催化劑層積灰、堵塞、損耗等問題[18-19]。

由于煙氣與顆粒物之間存在物質(zhì)動(dòng)量交換，運(yùn)動(dòng)黏度增加，一定程度上改善速度的均勻性。但顆粒物的存在可能會(huì)造成催化劑層堵塞沉積，加劇催化劑損耗。飛灰離散相采用Rosin-Rammler分布[20]，最大直徑250 μm，最小直徑5 μm，分布指數(shù)為1.2。

SCR反應(yīng)器速度跡線如圖13所示?？芍捎谶M(jìn)入整流格柵前速度場較為復(fù)雜，在低速區(qū)易形成積灰，特別是第2彎道外側(cè)和第3彎道傾斜處?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，催化劑的磨損集中在后墻區(qū)域，催化劑積灰主要集中在靠近前墻部分，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

圖13 SCR反應(yīng)器速度跡線Fig.13 SCR reactor speed trace

5 結(jié) 論

1)弧形導(dǎo)流板前的水平直板和導(dǎo)流板后的豎直直板可更好地引導(dǎo)氣流流動(dòng)。與其他形狀相比，在反應(yīng)器3個(gè)轉(zhuǎn)彎處分別布置“直-弧-直”導(dǎo)流板可更好地引導(dǎo)氣流流動(dòng)，截面速度相對偏差最小。

2)針對本研究模型中的斜頂設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化第3彎道處的導(dǎo)流板，導(dǎo)流板布置角度和斜頂布置角度相同，可以減少第3彎頭處的回流區(qū)面積。

3)催化劑層前布置的導(dǎo)流板可以顯著提高均勻性。但數(shù)量過多的導(dǎo)流板反而增加能量耗散和阻力。本模型中設(shè)置15塊導(dǎo)流板較為合適。

4)在慣性力和離心作用的共同作用下，飛灰顆粒主要集中在第1彎道前和下降煙道外側(cè)壁面。定期吹灰處理可以減少對催化劑層沖蝕。