陳冬林，劉 歡，鄒 嬋，陳翠玲，盤思偉，李 麗，趙 寧

（1.長沙理工大學 能源與動力工程學院，湖南 長沙 410004；2.廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080）

SCR脫硝反應器催化劑入口截面上煙氣流速和氨氣濃度分布的均勻性對煙氣脫硝效率及氨氣逃逸率具有重要影響［1-7］，因此，對現役鍋爐進行脫硝改造時需對脫硝反應器本身及相關連接管道進行優(yōu)化設計，以使催化劑層入口截面上的速度分布標準偏差小于15%，氨濃度分布標準偏差小于5%.為此，筆者利用FLUENT數值模擬軟件對一臺300 MW燃煤鍋爐SCR脫硝反應器的煙道及導流板的設計布置方案進行數值模擬，在此基礎上確定最佳導流板設計方案.

1 脫硝反應器原型

湖南某電廠一臺300MW燃煤鍋爐機組的煙氣SCR脫硝反應器及前后煙道、噴氨格柵、煙氣導流板、催化劑層等的結構與布置如圖1所示.其中，噴氨格柵由2排鋼管組成，每排有24根鋼管，每根鋼管上布置有3個氨氣噴嘴，噴嘴出口直徑為25mm.

圖1 300MW燃煤鍋爐機組SCR脫硝反應器及煙道布置示意Figure 1 300MW coal-fired boiler SCR deNOxreactor and flue duct arrangement diagram

2 均流方案設計

現役鍋爐機組進行煙氣SCR脫硝改造時，因脫硝反應器及煙道布置受到了空間、成本等方面的限制，煙道的布置優(yōu)化空間較小，目前，主要通過煙道彎頭處設置導流板并優(yōu)化導流板的結構來達到均流與均勻氨濃度分布的目的.為此，筆者通過在煙道不同彎頭以及變徑管道處設置導流板，擬定4種導流板布置方案，其布置、結構及技術特點如圖2和表1所示.

圖2 不同方案彎頭截面尺寸（單位：mm）Figure 2 Sectional size of elbows in different schemes（Unit：mm）

表1 各方案中導流板結構參數及布置特點Table 1 Baffle structure parameters and layout features for each schemes

3 CFD模擬

通過使用Fluent軟件對上述導流板不同布置方案下煙道流場進行數值模擬，研究SCR脫硝系統煙道內導流板不同布置方式對煙氣流場以及氨氣濃度分布的影響.使用前處理軟件GAMBIT，完成尾部煙氣流動和催化劑分布區(qū)域的建模與網格劃分，其中數值域被分成多塊混合網格格式.

3.1 數學模型

反應器計算模型的選取采用模擬湍流流動的標準k-ε湍流雙方程模型；煙氣與氨混合選用多種物質的混合輸運模型模擬；使用多孔介質模型模擬催化劑的蜂窩狀結構.各方程的數學描述詳見文獻［8-9］.

3.2 邊界條件

該模擬主要研究300MW燃煤鍋爐機組在BMCR工況下的流動與氨濃度分布.BMCR工況下鍋爐的煙氣流量為1 344 203m3·h-1，煙道入口煙氣流速為21m·s-1，噴氨速度為21m·s-1；設置煙道出口為壓力出口邊界條件，固體壁面和導流板設為WALL；煙氣成分和計算邊界條件如表2，3所示.

表2 煙氣各種成分的質量百分比Table 2 Mass percentage of various components in flue gas

表3 邊界條件Table 3 Boundary condition

4 模擬結果與分析

模擬結果使用Fluent軟件自帶的云圖功能進行數據處理，并根據煙氣SCR脫硝反應的行業(yè)技術標準，用標準偏差（S）對反應器內的速度場與氨濃度場進行分析.定義標準差［10-11］：

式中 S為煙氣流速或氨濃度的相對標準偏差；xi為測點數據為n個測點數據的算術平均值；n為某截面的測點個數.

優(yōu)化目標要求第1層催化劑前的速度分布最大標準偏差小于15%，速度分布及方向要求與催化劑通道平行，80%煙道的部分偏角小于10°，其余20%煙道的部分偏角小于12°；第1層催化劑前氨的濃度分布標準偏差小于5%［12］.

4.1 噴氨格柵前的導流板布置對催化劑層氨濃度場分布的影響

方案1中由于噴氨格柵前段（即省煤器出口至噴氨格柵）沒有設置導流板，使得噴氨格柵前端煙氣流場嚴重不均勻，因而造成第1層催化劑濃度相對標準偏差高達16.05%.方案2，3在方案1基礎上，于噴氨格柵前端的煙道變徑段以及1號彎頭處布置導流板，從圖3（b）中煙道入口前、后對稱剖面速度分布圖可看出，垂直煙道兩側煙氣流速明顯得到改善，催化劑層氨濃度相對標準偏差從16.05%降到6.09%，說明第1層催化劑層氨濃度分布均勻性得到明顯的改善.由此可見，噴氨格柵前的導流板布置對催化劑層氨濃度分布均勻性影響很大，這種影響尤其體現在彎頭處導流板的布置，比較方案2，3模擬結果，方案3在噴氨格柵前1號彎頭處設置導流板后，催化劑層氨濃度標準偏差大幅度地降低.

4.2 噴氨格柵后的導流板布置對催化劑層速度場分布的影響

方案1由于只在噴氨格柵至脫硝反應器出口的煙道各彎頭處設置導流板，其煙道進口變徑段前、后兩側煙氣產生明顯的回流，煙氣流速嚴重不均，如圖3（a）所示.同時，從圖3（b）中還可發(fā)現，方案1噴氨格柵前端流速分布同樣不均勻，靠近左側的垂直煙道內側流速明顯比外側流速高.由于在噴氨格柵至脫硝反應器出口處設置了導流板，這對第1層催化劑層流速均勻性具有很好的效果，經計算得出第1層催化劑層流速相對標準偏差為6.01%，達到設計標準要求.

圖3 不同導流板布置方案下數值模擬云圖Figure 3 Numerical simulation contours of different baffle layouts

4.3 導流板間距及煙道結構優(yōu)化對催化劑層度場與氨濃度場分布的影響

在方案3的基礎上，方案4針對第1個彎流頭導流板布置間距進行反復優(yōu)化，以達到催化劑速與氨濃度相對標準偏差接近設計標準的目的，同時，該方案中將煙道彎頭2內側的弧形板改為斜切直板，彎頭3處弧形彎頭同樣改為斜切角，為滿足結構要求將最外層的導流片去掉，最后得到第1層催化劑層流速與氨濃度相對標準偏差分別為3.86%，4.92%，達到設計標準要求，實現該次煙氣脫硝反應器結構的優(yōu)化.由此可見，在條件可行的情況下，可通過調整1號彎頭導流板間距，結合煙道彎頭結構調整，達到優(yōu)化煙道流場分布的目的，從而使催化劑層流速與氨濃度相對標準偏差符合設計范圍，脫硝反應器脫硝效率大大提高.不同導流板布置方案時數值模擬結果對比如表4所示.

表4 不同導流板布置方案時數值模擬結果對比Table 4 Comparison of numerical simulation results in different baffle layout schemes

5 結論

1）導流板布置對均勻流場及脫硝反應器催化劑層氨濃度分布具有明顯的作用，在煙道各彎頭處合理地添加導流板，可大大提高煙道流場分布均勻性，從而有利于脫硝反應器脫硝效率的提高.

2）噴氨格柵前、后的導流板布置分別對第1層催化劑入口的氨濃度分布和速度流場分布的均勻性具有重要影響，其中噴氨格柵前的導流板布置對第1層催化劑層氨濃度場分布影響較大，而噴氨格柵后的導流板布置對第1層催化劑層速度流場分布影響較大.

3）經過各方案對比，最后得出方案4為煙氣脫硝反應器的最優(yōu)方案，通過改善煙道彎頭結構，結合合理的導流板間距獲得催化劑層最佳的流場與氨濃度場分布均勻度，其進入第1層催化劑層處的速度、氨濃度相對標準偏差分別為3.86%和4.92%，符合設計要求.從該方案中獲得的脫硝反應器內合理的煙氣流速與催化劑濃度分布，可為脫硝反應器的最佳運行提供借鑒，同時，方案4提出的導流板布置方案對脫硝反應器的結構優(yōu)化具有重要的參考價值.

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