王飛 文貽艷 王志偉 袁軍 陳珣 魏曉陽 卜宇凡 王利民 鄧?yán)?/p>

摘 要：針對(duì)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，采用數(shù)值模擬的方法研究了初始設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的流場(chǎng)特性。模擬結(jié)果表明：初始設(shè)計(jì)方案中噴氨上游截面和首層催化劑入口截面的速度分布相對(duì)偏差較大，催化劑層的氨氮比分布不均勻；通過加裝合適的煙氣導(dǎo)流裝置可以明顯改善噴氨上游截面和首層催化劑入口截面的速度分布，同時(shí)也能降低氨氮比的不均勻程度；優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中各截面的速度相對(duì)偏差和氨氮比的均勻性都已滿足工程實(shí)際的要求，有利于煙氣中NOx的脫除。

關(guān)鍵詞：SCR；煙氣脫硝；流場(chǎng)；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：Numerical simulation was carried out to investigate the filed flow characteristics of the SCR flue gas denitrification. In the initial design scheme， the velocity distribution had a large deviation in the upstream of ammonia injection grid（AIG）， and the inlet of first catalyst layer and the ratio of ammonia to nitrogen in the catalyst layer was not uniform.By installing a suitable flue gas diversion device， the velocity distribution in the upstream of AIG and in the inlet of first catalyst layer can be obviously improved， and the unevenness of the ammonia nitrogen ratio can also be reduced.For the optimization design scheme， the relative velocity deviation and the ammonia nitrogen ratio in each design section has met the requirements of engineering practice， and it is beneficial to remove NOx in flue gas.

Key words：SCR；flue gas denitrification；flow field；numerical simulation；optimization design

電廠燃煤過程中產(chǎn)生的NOx是大氣污染物的主要來源之一[1]。迄今為止，在工程實(shí)際中已開發(fā)出了多種控制和治理燃煤煙氣中NOx的技術(shù)，而選擇性催化還原反應(yīng)（SCR）脫硝技術(shù)以其技術(shù)成熟、脫硝率高和經(jīng)濟(jì)適用性好等優(yōu)點(diǎn)成為大型燃煤電站煙氣脫硝技術(shù)的主流選擇[2；3]。在SCR脫硝系統(tǒng)中，煙氣的流動(dòng)特性是影響催化劑有效利用和脫硝效率的重要因素。

在SCR脫硝技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用中，一般采用數(shù)值模擬與冷態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，并通過適當(dāng)?shù)姆椒▋?yōu)化調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)分布，從而為工程實(shí)際提供最優(yōu)建議，以確保SCR脫硝系統(tǒng)滿足脫硝反應(yīng)所要求的流場(chǎng)環(huán)境[4]。

相對(duì)于冷態(tài)試驗(yàn)而言，數(shù)值模擬更易操作和實(shí)現(xiàn)，并且省時(shí)省力[5；6]。然而，從國內(nèi)發(fā)展情況來看，數(shù)值模擬在SCR脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于起步階段，可用的數(shù)據(jù)較少。目前，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)也做了一些初步的研究。郭婷婷等[7]認(rèn)為脫硝系統(tǒng)加裝導(dǎo)流葉柵和整流格柵可以使得反應(yīng)器內(nèi)首層催化劑入口斷面煙氣速度不均勻性低于15%，并且數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以有效地指導(dǎo)SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。毛庚仁等[8]學(xué)者應(yīng)用流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)某電廠600 MW燃煤機(jī)組SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與布置進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

因此，本文以某電廠1×260 t/h的高溫高壓煤粉鍋爐所配套使用的SCR脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 脫硝系統(tǒng)概況

本文的研究對(duì)象為1×260 t/h的高溫高壓煤粉鍋爐配套使用的SCR脫硝系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括省煤器底部煙道、SCR入口煙道、噴氨格柵（AIG）、整流格柵、SCR催化劑層和連接空氣預(yù)熱器的出口煙道，圖1為該工程脫硝系統(tǒng)煙道示意圖。

SCR脫硝系統(tǒng)的還原劑由噴氨格柵處的噴嘴噴射，所噴射的氨氣與煙道內(nèi)的煙氣經(jīng)整流格柵充分混合后流至下游的催化劑層，在催化劑表面上與NOx發(fā)生脫硝反應(yīng)生成H2O和N2[9]，脫硝后的煙氣由出口煙道排出，最后流入空氣預(yù)熱器等下游各級(jí)設(shè)備。脫硝系統(tǒng)的煙氣參數(shù)詳見表 1。

噴氨格柵是SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中噴射氨氣的設(shè)備。在工程實(shí)際中，氨氣和稀釋風(fēng)混入噴氨格柵充分混合后作為還原劑噴射至脫硝系統(tǒng)煙道，然后被含有NOx的煙氣攜帶至下游的催化劑層上發(fā)生脫硝反應(yīng)。噴氨格柵共分為6個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)由4×7共28個(gè)噴氨噴頭組成，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)見表 2。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)的煙氣流動(dòng)屬于典型的湍流流動(dòng)，因此本文在數(shù)值模擬過程中選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[10]。為了便于模擬SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)煙氣的流動(dòng)情況，本文從實(shí)際出發(fā)做出了如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

（1）將煙氣視為不可壓縮牛頓流體；

（2）假設(shè)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口處煙氣速度分布均勻；

（3）催化劑層壓降采用多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬，產(chǎn)生一個(gè)與實(shí)際運(yùn)行值相當(dāng)?shù)膲毫p失進(jìn)行模擬；

（4）考慮到計(jì)算機(jī)的處理能力，在計(jì)算時(shí)只取寬度為一個(gè)噴氨格柵分區(qū)的空間進(jìn)行計(jì)算。

基于上述假設(shè)和簡(jiǎn)化，描述本物理問題的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程分別為：

對(duì)于SCR脫硝系統(tǒng)內(nèi)催化劑層的壓降，本文將其看作多孔介質(zhì)以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在數(shù)值計(jì)算時(shí)，每層催化劑的壓降與工程實(shí)際中的壓降是一致的，均設(shè)定為200 Pa。

2.2 網(wǎng)格處理

本文采用分區(qū)域的網(wǎng)格劃分方法對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的煙道進(jìn)行處理。噴氨格柵部分幾何結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此噴氨格柵處采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，其他煙道部分采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。另外，與SCR脫硝整體系統(tǒng)相比，噴氨格柵的尺寸相對(duì)較小，為了準(zhǔn)確模擬噴嘴處的流動(dòng)情況，劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)噴嘴出口段進(jìn)行了局部加密。SCR脫硝系統(tǒng)的整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和噴氨格柵處的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，出口壓力取1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在處理壁面時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，為防止壁面非線性發(fā)散，本文采用低松弛迭代的變松弛系數(shù)法。

2.3 性能參數(shù)

實(shí)際工程中對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的性能要求越來越高，本文采用相對(duì)偏差作為標(biāo)準(zhǔn)來衡量SCR系統(tǒng)的工作性能。相對(duì)偏差Cv的定義為：

在本文中，SCR系統(tǒng)的性能參數(shù)是指特定截面上的速度相對(duì)偏差和濃度相對(duì)偏差。特定截面包括噴氨格柵（AIG）上游截面和首層催化劑入口截面。速度相對(duì)偏差是衡量截面上流動(dòng)均勻性的參數(shù)，濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差是衡量截面上煙氣分布均勻性的參數(shù)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 模型驗(yàn)證結(jié)果

獲得網(wǎng)格獨(dú)立解是判斷數(shù)值計(jì)算是否合格的基本標(biāo)準(zhǔn)。為了消除網(wǎng)格疏密變化引起的數(shù)值誤差，在正式計(jì)算之前需要對(duì)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證。

本文采用6個(gè)不同的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到208萬以上時(shí)，100%BMCR工況下SCR煙道出口雷諾數(shù)Re趨于一定值，數(shù)值計(jì)算的結(jié)果不再隨著網(wǎng)格的加密而發(fā)生明顯變化。因此，本研究中網(wǎng)格數(shù)量為208萬個(gè)。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，本文分別針對(duì)50%BMCR、60%BMCR、70%BMCR、100%BMCR和110%BMCR工況進(jìn)行數(shù)值模擬，各工況下SCR煙道出口速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值和數(shù)值計(jì)算值的對(duì)比見圖3。

圖3表明SCR煙道出口處速度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合度較高，最大偏差不超過10%。因此，本文所選取的數(shù)值模型可以較為準(zhǔn)確地反應(yīng)煙道內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)情況。

3.2 初始設(shè)計(jì)方案

本文首先模擬了SCR脫硝系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案的性能，SCR脫硝系統(tǒng)煙道的初始結(jié)構(gòu)圖1所示。在噴氨格柵的上下游煙道的拐角處各布置有2個(gè)90°的弧狀擋板，傾斜煙道入口處布置有3個(gè)擾流擋板，另外整流格柵正上方的斜壁處布置2個(gè)擾流擋板。

圖4為初始設(shè)計(jì)方案100% BMCR工況下SCR系統(tǒng)總體速度分布的數(shù)值模擬結(jié)果?？偟目磥恚到y(tǒng)中省煤器出口煙道的轉(zhuǎn)向?qū)е翧IG上游速度不均勻，偏差較大，尤其是靠近左面煙道的部分速度較低，這種煙氣的不均勻性會(huì)直接影響氨與煙氣的混合均勻性；煙氣經(jīng)過豎直段煙道后，會(huì)依次經(jīng)過90°彎曲煙道和傾斜煙道后進(jìn)入整流格柵，從而接觸到首層催化劑。初始設(shè)計(jì)方案在煙道拐角處布置有導(dǎo)流裝置，因此首層催化劑進(jìn)口截面上的速度分布比較均勻。

圖5為AIG上游截面的速度分布情況。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，可以得出AIG上游截面的平均速度Avg=14.330 m/s，相對(duì)偏差Cv=20.05%。盡管AIG上游處90°彎曲煙道內(nèi)布置了2個(gè)弧狀導(dǎo)流板，但是AIG上游截面的速度分布依然出現(xiàn)較大偏差，不利于氨氣和煙氣的充分混合。因此，AIG上游煙道需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6為首層催化劑入口截面上速度大小和方向的分布情況。根據(jù)數(shù)值擬的結(jié)果可以得出：首層催化劑入口截面平均速度的大小為4.456 m/s，相對(duì)偏差Cv=14.02%，平均速度的方向與垂直方向夾角為21.72°。這說明初始設(shè)計(jì)方案在催化劑首層的速度大小分布比較不均勻，并且煙氣對(duì)催化劑的沖刷作用交大，容易加劇催化劑的磨損。

圖7 為首層催化劑入口截面上NOx/NH3的分布情況。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可以得出首層催化劑入口截面上NOx/NH3的平均值為0.864，相對(duì)偏差Cv=13.22%。氨氮比分布的不均勻性比較明顯，不利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。

數(shù)值模擬的結(jié)果表明：初始設(shè)計(jì)方案的流場(chǎng)分布不均勻，這將極大地影響脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。因此，需要對(duì)SCR系統(tǒng)煙道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低流場(chǎng)的不均勻性，進(jìn)而提高脫硝反應(yīng)的效率。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

考慮到噴氨格柵和整流格柵的設(shè)計(jì)已經(jīng)比較合理，因此，本文通過增加導(dǎo)流裝置的方法來優(yōu)化SCR脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)分布。具體優(yōu)化措施有：（1）AIG上游截面速度分布偏差較大，這是由于省煤器出口煙道存在轉(zhuǎn)向，因此在90°彎曲煙道前后加裝導(dǎo)流板，以使速度分布更加均勻；（2）首層催化劑入口處速度分布和氨氮比不均勻，因此需要在煙氣進(jìn)入傾斜煙道之前加裝平直的導(dǎo)流板。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的局部示意圖見圖8（其中藍(lán)色導(dǎo)流板為原始設(shè)計(jì)方案，灰色導(dǎo)流板為優(yōu)化方案所增加的導(dǎo)流裝置）。

本文針對(duì)上述優(yōu)化方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖9給出了優(yōu)化后100%BMCR工況下SCR系統(tǒng)總體速度分布特性的數(shù)值模擬結(jié)果?？偟目磥?，增加導(dǎo)流板后AIG上游速度不均勻度降低，尤其是靠近左面煙道速度較低的現(xiàn)象有所改善；另外，因?yàn)樵趦A斜煙道之前增加了導(dǎo)流板，所以首層催化劑截面上煙氣速度的不均勻性有所減弱。下文將詳細(xì)分析各個(gè)截面上的流動(dòng)特性。

圖10給出了AIG上游速度大小分布情況的數(shù)值模擬結(jié)果。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以得出，優(yōu)化方案下AIG上游截面速度偏差從Cv=20.05%降低到了Cv=8.93%。這說明流場(chǎng)的均勻性有了進(jìn)一步的提高，有利于氨氣和煙氣的充分混合。

圖11為首層催化劑入口截面上速度大小和方向的分布情況。根據(jù)數(shù)值擬的結(jié)果可以得出，優(yōu)化方案下首層催化劑入口截面平均速度的大小為Avg=4.501 m/s，相對(duì)偏差為 Cv=12.83%，平均速度的方向與垂直方向夾角為14.53°。與原始設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化方案下催化劑首層的速度大小分布更加均勻，并且煙氣對(duì)催化劑的沖刷作用變小，減輕了催化劑的磨損程度。

圖12 為首層催化劑入口截面上NOx/NH3的分布情況。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，可以得出首層催化劑入口截面上NOx/NH3的平均值為0.872，相對(duì)偏差Cv=9.84%。與原始設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化后氨氮比分布的不均勻性明顯減小，有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行。

數(shù)值模擬的結(jié)果表明：與原始設(shè)計(jì)方案相比，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的流場(chǎng)分布更加均勻，煙氣對(duì)催化劑的沖刷作用減小，首層催化劑入口截面的氨氮比分布較為均勻，有利于提高脫硝反應(yīng)的效率。

4 結(jié)論

本文對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別分析了特定截面上的速度分布和氨氮比分布，然后根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果做出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整何優(yōu)化。結(jié)論如下：

（1）SCR脫硝系統(tǒng)初始方案中AIG上游截面和首層催化劑截面的速度分布不均勻性明顯，首層催化劑截面上氨氮比分布不均勻，不利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)煙氣對(duì)催化劑層的沖刷較為嚴(yán)重。

（2）省煤器出口煙道存在轉(zhuǎn)向會(huì)導(dǎo)致AIG上游截面速度分布偏差較大。通過在90°彎曲煙道前后加裝導(dǎo)流板可以降低AIG上游截面的速度偏差，改善速度分布的均勻性。

（3）在煙氣進(jìn)入傾斜煙道之前加裝平直的導(dǎo)流板，可以改善首層催化劑入口處的速度分布、降低氨氮比混合的不均勻性以及減輕催化劑的磨損程度，有利于脫硝反應(yīng)的正常進(jìn)行。

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作者簡(jiǎn)介：王飛（1973-），男，高級(jí)工程師。