SCR外置煙道折彎導(dǎo)流板下行程度的數(shù)值研究

王琦，李凱，王愛晨，詹曉艷，馮園中

（嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

氮氧化物統(tǒng)稱NOx，是大氣的主要污染物之一，不僅會生成酸雨破壞環(huán)境，而且會導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病，危害人體健康。因此，國家對NOx排放作出了嚴(yán)格的限制。為使NOx排放符合標(biāo)準(zhǔn)，電站鍋爐廣泛采用較為成熟的選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)。然而在運(yùn)行過程中，煙氣中的飛灰會對SCR催化劑造成磨損與堵塞，影響SCR催化劑的活性與使用壽命。脫硝反應(yīng)器堵塞后，還會引起煙氣阻力的大幅升高，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)電耗的上升。此外，脫硝效率下降時(shí)需增加氨的用量，從而致使氨逃逸增加，加劇下游設(shè)備的積灰堵塞。

為減輕飛灰顆粒對SCR催化劑的磨損與堵塞，設(shè)計(jì)了SCR外置煙道對煙氣中的飛灰顆粒進(jìn)行捕集分離。但是SCR外置煙道的增加，將加劇脫硝反應(yīng)器入口流場的不均勻性。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)流下行程度對流場改善效果存在較大影響。因此，本文將開展SCR外置煙道折角導(dǎo)流板下行程度的數(shù)值研究，以此獲得導(dǎo)流板下行尺寸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

用以捕集煙氣中飛灰顆粒的SCR外置煙道結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，為改善脫硝反應(yīng)器入口流場在煙道折彎處增設(shè)了3塊導(dǎo)流板，將煙道折彎等分為4個(gè)子煙道。在SCR外置煙道內(nèi)，煙氣首先經(jīng)過慣性分離彎頭改變煙氣流向。此時(shí)，煙氣中的部分飛灰顆粒因慣性作用而無法跟隨煙氣的流動。偏離煙氣軌跡的顆粒與煙道壁面碰撞而被捕集，捕集的飛灰可通過頭處的排灰口排出。經(jīng)過慣性除塵后的煙氣進(jìn)入煙道折彎再次改變流向，最后流經(jīng)下行煙道內(nèi)的脫硝反應(yīng)器進(jìn)行煙氣脫硝。按照實(shí)際尺寸對SCR外置煙道進(jìn)行建模，并以此作為數(shù)值計(jì)算區(qū)域。

圖1 SCR外置煙道及其導(dǎo)流板示意圖

根據(jù)鍋爐DSC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(biāo)準(zhǔn)煙氣進(jìn)行計(jì)算。因此，煙氣密度為0.617kg/m3，煙氣的粘度為2.82×10-5Pa·s。入口處的煙氣流速為7m/s，煙氣參數(shù)詳見表1。脫硝反應(yīng)器安裝于煙道折彎出口下方3m處，因此導(dǎo)流板下行程度的取值范圍選定為0.5m、1.0m以及1.5m。

2.2 數(shù)值模型與計(jì)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(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。采用GAMBIT軟件對圖1所示的計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過分塊法劃分了六面體網(wǎng)格。根據(jù)壁面函數(shù)選定y+值，并對數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。

選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，計(jì)算湍流流動。忽略煙氣流動過程中的熱交換，煙氣的密度與粘度如表1所示。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。

表1 煙氣參數(shù)與導(dǎo)流板下行長度

3 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2所示為脫硝反應(yīng)器入口截面的速度云圖。其中，（a）為無導(dǎo)流板時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口的流場分布。可以看到，入口截面外側(cè)是煙氣流動的高速區(qū)，中間區(qū)域流速最低，而入口截面外側(cè)區(qū)域速度有所上升。截面上中心線的速度曲線反映了上述速度分布趨勢，見圖3。根據(jù)圖3，入口截面上一半以上區(qū)域的煙氣流速小于2m/s；而在入口截面外側(cè)，煙氣流速高達(dá)8m/s以上。原因在于，煙氣經(jīng)過煙道折彎后，在慣性作用下煙氣向煙道外側(cè)偏斜。因此，大量煙氣集中于煙道外側(cè)以高流速通過脫硝反應(yīng)器入口截面。

圖3 脫硝反應(yīng)器入口截面中心線速度分布（無導(dǎo)流板）

為改善脫硝反應(yīng)器入口流場的均勻性，增設(shè)了折彎導(dǎo)流板，見圖1。當(dāng)導(dǎo)流板下行深度為0.5m時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口截面的流場如圖2（b）所示。由圖可知，入口截面外側(cè)煙氣流速顯著下降，但是截面內(nèi)外側(cè)仍呈現(xiàn)出明顯流速分區(qū)現(xiàn)象。脫硝反應(yīng)器入口流場的均勻性仍有待進(jìn)一步提高。因此，增大導(dǎo)流板下行深度至1.0m，所得入口截面的流場分布如圖2（c）所示。導(dǎo)流板下行深度增加后，其對煙氣偏斜的阻擋作用增強(qiáng)，截面外側(cè)流速進(jìn)一步下降，內(nèi)側(cè)低流速區(qū)面積有所縮小。此時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口流場的均勻性得到了較好的改善。為探究導(dǎo)流板下行尺寸對流場均勻性的影響規(guī)律，繼續(xù)增加導(dǎo)流板下行深度至1.5m，脫硝反應(yīng)器入口流場變?yōu)閳D2（d）所示的分布情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板下行程度越大，對煙氣的分流作用越強(qiáng)。圖2（d）中，煙氣流動的高速區(qū)和低速區(qū)進(jìn)一步縮小；截面中間區(qū)域雖然仍有一定的速度分區(qū)現(xiàn)象，但是差值較小。圖4中截面上中心線的速度曲線反映了上述流速變化趨勢。截面外側(cè)最大流速從無導(dǎo)流板時(shí)的8m/s下降到了4m/s。截面中間部分呈現(xiàn)為“M”型速度分區(qū)，但增幅較小，流場均勻性得到改善。

圖2 脫硝反應(yīng)器入口截面的速度云圖

圖4 脫硝反應(yīng)器入口截面中心線速度分布（下行1.5 m)

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5展示了脫硝反應(yīng)器入口截面在不同導(dǎo)流板下行長度時(shí)的速度不均勻系數(shù)。根據(jù)圖5，無導(dǎo)流板時(shí)脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)為139.0%，速度分布極為不均。因此，在進(jìn)行SCR外置煙道改造后，必須增設(shè)導(dǎo)流板以此改善脫硝反應(yīng)器入口流場的均勻性。當(dāng)增設(shè)的導(dǎo)流板下行長度為0.5m時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)降低至108.4%。雖然入口流場的均勻性有所改善，但速度分布仍不均勻。增大導(dǎo)流板下行長度至1.0m時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)進(jìn)一步降低至86.9%。此時(shí)，入口流場的均勻性得到了較好的改善。繼續(xù)增大導(dǎo)流板下行長度至1.5m時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口的速度不均勻系數(shù)下降到84.0%?？梢园l(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流板下行程度越大，對脫硝反應(yīng)器入口流場均勻性的改善作用越強(qiáng)。所以在進(jìn)行折彎導(dǎo)流板設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意保障導(dǎo)流板有足夠的下行程度。但是，導(dǎo)流板下行程度過大時(shí)，對脫硝反應(yīng)器入口流場均勻性的提高作用減弱。因此，折彎導(dǎo)流板設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)注意導(dǎo)流板下行程度的控制，避免導(dǎo)流板下行程度過大造成的浪費(fèi)。

圖5 不同導(dǎo)流板下行長度的速度不均勻系數(shù)

4 結(jié)語

通過數(shù)值模擬，研究了SCR外置煙道折角導(dǎo)流板下行程度對脫硝反應(yīng)器入口流場均勻性的影響規(guī)律，所得結(jié)論如下：隨著導(dǎo)流板下行程度的增大，脫硝反應(yīng)器入口流場均勻性逐步提高。當(dāng)導(dǎo)流板下行長度為1.5m時(shí)，脫硝反應(yīng)器入口流場的速度不均勻系數(shù)從無導(dǎo)流板時(shí)的139.0%下降至84.0%，流場均勻性得到明顯改善。然而，進(jìn)一步增加導(dǎo)流板下行長度對入口流場的改善作用越弱。因此，折彎導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)存在最佳下行長度，本文條件下的最佳值為1.0m。