孟 磊，雷 彧，陳 晟，劉小偉，岳樸杰，谷小兵

(1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引 言

選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技術是我國當前燃煤鍋爐最主要脫硝手段[1-3]。我國燃煤鍋爐的SCR脫硝裝置幾乎全為無煙氣旁路的高塵布置[4]，煙氣中顆粒會導致催化劑磨損和堵塞。堵塞嚴重不僅會大幅降低裝置脫硝性能，甚至會導致主機非計劃停機[5]。其中，煙氣中尺寸大于催化劑通道的大顆?；沂且鸲氯闹匾騕6-9]。目前國內(nèi)外針對SCR裝置前的大顆粒灰防治技術可大致分為2類：① 對省煤器灰斗進行改造，通過增設擋板、導流板、擴容等方式調(diào)整流場結(jié)構(gòu)[10-12]，利用慣性將大顆?；覐臒煔庵蟹蛛x出來[13]；② 加裝大顆?；覕r截網(wǎng)，在合適位置安裝帶孔攔截網(wǎng)，保證煙氣通過的情況下分離出大顆粒灰[14-16]。相比于前者，加裝攔截網(wǎng)技術具有對流場設計要求低、捕集效率高、改造與安裝方便等優(yōu)點。目前，大顆粒灰攔截裝置已在國內(nèi)百萬機組選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)上成功應用[17]。然而，目前攔截網(wǎng)的設計依賴于試驗測量與工程經(jīng)驗，缺少通用設計準則與理論依據(jù)，對于攔截網(wǎng)開孔形狀、煙氣流速、開孔率以及攔截網(wǎng)厚度等參數(shù)對攔截效率以及壓降的影響認識尚不深入。

針對上述問題，金理鵬等[18]研究了攔截網(wǎng)開孔形狀、外形結(jié)構(gòu)與安裝位置對攔灰效率和系統(tǒng)阻力的影響，發(fā)現(xiàn)攔截網(wǎng)壓降與開孔率的3次方成反比，同時對比了屋脊式和平板式攔截網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)二者阻力、攔灰效果基本相同。陳鴻偉等[19]通過冷態(tài)試驗發(fā)現(xiàn)長條形孔型的攔截網(wǎng)性能優(yōu)于正方形開孔的攔截網(wǎng)，攔截網(wǎng)引起的壓降為140～160 Pa,大顆?；覕r截效率可達92.2%，發(fā)現(xiàn)攔截網(wǎng)安裝角度與長度均會影響壓降。上述試驗進一步驗證了大顆?；覕r截技術的可行性，但實際工程中對于攔截網(wǎng)壓降的要求較高，可接受的壓降范圍通常在150 Pa以內(nèi)，在保證攔截效果的前提下應使壓降盡可能小。目前，試驗中攔截網(wǎng)引起的壓降仍較大，存在優(yōu)化空間。此外，試驗手段難以對攔截網(wǎng)孔型、安裝位置、角度以及長度等參數(shù)同時全面測量從而找到最優(yōu)參數(shù)。相比之下，計算流體力學方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)能夠便捷地改變設計參數(shù)進行掃描計算，從而獲得攔截網(wǎng)最優(yōu)設計方案。

由于攔截網(wǎng)網(wǎng)孔尺遠小于煙道尺寸，CFD計算建模長度尺度跨度大，因此常采用多孔介質(zhì)對攔截網(wǎng)進行等效模擬，基于攔截網(wǎng)孔隙率和滲透率等宏觀參數(shù)即可等效求解出流場經(jīng)過攔截網(wǎng)的壓力損失。已有研究采用CFD方法模擬了攔截網(wǎng)安裝在省煤器灰斗上方時的流場分布[16]，對攔截網(wǎng)單元和SCR系統(tǒng)整體流場分別進行了模擬，獲得流場分布、壓降信息[17]以及大顆?；疫\動軌跡[20]。其中滲透率表示多孔介質(zhì)允許流體通過空隙流動能力的強弱，其大小與孔隙率、流體滲透方向上空隙的幾何形狀、顆粒大小以及排列方向等因素有關。等效多孔介質(zhì)滲透率的準確估計對提升整體設備流場解的精確度具有重要意義，但并未對滲透率設置依據(jù)進行詳細探討。筆者通過CFD方法，利用Ansys Fluent仿真軟件對網(wǎng)孔尺度流場進行求解，探究攔截網(wǎng)開孔形狀、煙氣流速、開孔率以及攔截網(wǎng)厚度等參數(shù)對攔截網(wǎng)壓降的影響，進一步推導了達西定律下等效多孔介質(zhì)滲透率的關聯(lián)公式，對于SCR系統(tǒng)整體CFD模擬以及攔截網(wǎng)選型設計具有重要意義。

1 研究方法

1.1 CFD計算模型

研究選取了3種最常見開孔形狀的攔截網(wǎng)作為研究對象：長條形、正六邊形和正方形攔截網(wǎng)。由于SCR催化劑通道的孔徑尺寸限制，粒徑大于4 mm的大顆?；壹纯稍斐纱呋瘎┐矊佣氯鸞14]。為衡量攔截網(wǎng)對不同粒徑大顆?；业臄r截效果，將攔截網(wǎng)可攔截的最小顆粒尺寸定義為“臨界尺寸”。不同開孔形狀攔截網(wǎng)的臨界尺寸如圖1(a)所示，其中a為臨界尺寸，x為相鄰網(wǎng)孔間的距離，λ為長條形網(wǎng)孔的長寬比，六邊形、正方形的臨界尺寸為其開孔的內(nèi)接圓直徑，長條形的臨界尺寸為其開孔寬度，當3者的臨界尺寸一致，即可認為3者攔截效果一致。利用Ansys Fluent仿真軟件按照1∶1比例建立了攔截網(wǎng)局部網(wǎng)孔的三維模型，以長條形攔截網(wǎng)為例(圖1(b))，計算區(qū)域為網(wǎng)孔單位附近一個長方體區(qū)域，左側(cè)為煙氣入口，右側(cè)為壓力出口，具體參數(shù)見表1，其余邊界均設置為周期性邊界條件。模擬采用有限元分析法進行計算，在網(wǎng)格劃分時對攔截網(wǎng)單元附近等小尺度空間結(jié)構(gòu)進行了網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格總數(shù)約200萬個。

圖1 攔截網(wǎng)局部CFD計算模型Fig.1 Pore-scale CFD model of interceptor

表1 模擬工況參數(shù)條件Table 1 Physical parameters for the simulations

1.2 控制方程

根據(jù)實際情況對模型做出如下簡化：來流煙氣為不可壓縮牛頓流體；煙氣在入口邊界處均勻分布且完全垂直于入口截面；煙氣之間的不同組分不發(fā)生化學反應，物性參數(shù)為常數(shù)。流體的控制方程包括連續(xù)性方程與動量方程，表達式為

ρ▽u=0，

(1)

ρ(u▽)u=▽(-pI+K)+F。

(2)

其中，ρ為流體密度，kg/m3；u為流體的速度矢量，m/s；p為微元流體上的壓強，Pa；I為單位矩陣；F為單位體積流體所受外力，N，本文只考慮流體所受重力，故F=ρg，g為重力加速度，m/s2；K為黏性應力，Pa，其表達式為

K=(μ+μT)(▽u+(▽u)T)。

(3)

其中，μ為流體動力學黏度，Pa·s；μT為湍流黏度，Pa·s，其表達式為

(4)

其中，Cμ為模型常數(shù)；k為湍動能，J；ε為湍動能耗散率。煙氣的流動狀態(tài)為湍流，研究選取典型的k-ε模型對其進行模擬。

2 結(jié)果與討論

入口氣流速度為15.5 m/s時，3種不同開孔形狀攔截網(wǎng)的速度分布與表觀壓力分布的截面圖如圖2所示，可知網(wǎng)孔后側(cè)存在高速區(qū)域，實體結(jié)構(gòu)后側(cè)則存在一個低速區(qū)域。流場不均勻性在攔截網(wǎng)后側(cè)較短區(qū)域內(nèi)逐漸衰減，最終流場變得均勻。不同開孔形狀的攔截網(wǎng)后側(cè)流場結(jié)構(gòu)相似，可以推斷不同孔型攔截網(wǎng)對于煙氣整體流場影響規(guī)律接近。氣流表壓在攔截網(wǎng)前后產(chǎn)生明顯變化，在其他區(qū)域幾乎沒有變化。因此，計算域入口和出口的壓力差可以定義為攔截網(wǎng)壓降，后續(xù)對不同條件下的壓降規(guī)律進行詳細分析。

圖2 不同形狀攔截網(wǎng)速度與壓力分布云圖Fig.2 Velocity and pressure distribution of interceptor with different pore structures

2.1 開孔形狀對壓降的影響

3種攔截網(wǎng)在典型煙氣流速下的壓降情況見表2，其中流速大小5.1、15.5、19.6 m/s分別對應國內(nèi)某600 MW燃煤鍋爐滿負荷工況下省煤器灰斗上方、水平緩流煙道、豎直煙道截面的平均流速。可知在最小攔截粒徑(即臨界尺寸)均為5 mm的條件下，壓降最大的是正方形攔截網(wǎng)，其次為正六邊形攔截網(wǎng)，壓降最小的是長條形攔截網(wǎng)。對比文獻[13]試驗結(jié)果，開孔率為48.5%～61.0%的平板式攔截網(wǎng)安裝在豎直煙道時(對應本文流速19.6 m/s的工況)，試驗壓降在169～414 Pa，二者在開孔率接近的工況點數(shù)據(jù)較為吻合，驗證了模擬結(jié)果的可靠性。不同開孔形狀攔截網(wǎng)在不同入口流速時的壓降變化如圖3所示，可知3種攔截網(wǎng)壓降均隨入口流速增大而增大，且在本文研究流速范圍內(nèi)，仍符合長條形攔截網(wǎng)的壓降最小、正六邊形其次、正方形壓降最大這一規(guī)律，且隨著流速增大3者差別越明顯。

表2 典型流速下3種攔截網(wǎng)的壓降Table 2 Pressure drops of interceptors at typical flow velocities

圖3 不同開孔形狀攔截網(wǎng)壓降與流速的關系Fig.3 Relationship between pressure drop and flow velocity of interceptor with different pore structures

分析認為造成長條形攔截網(wǎng)壓降小的原因是其開孔率較高。開孔率χ定義為網(wǎng)孔面積S0與攔截網(wǎng)總面積S的比值，是攔截網(wǎng)的重要設計參數(shù)，其表達式為

(5)

比較3種攔截網(wǎng)的開孔率(表1)可知，在相同攔截效果(即臨界顆粒尺寸相同)前提下，長條形攔截網(wǎng)開孔率最高，其次是正六邊形，正方形最小，這與攔截網(wǎng)壓降規(guī)律一致。又由于長條形攔截網(wǎng)的開孔率與其長寬比相關，保持流速不變進一步模擬了不同長寬比(開孔率)下的長條形攔截網(wǎng)的壓降情況見表3，證明長條形攔截網(wǎng)的壓降隨著長寬比(開孔率)增大而減小。

表3 長條形長寬比對開孔率及壓降的影響Table 3 Influence of length-to-width ratio on porosity and pressure drop

結(jié)果表明，開孔率與煙氣流速是影響壓降的重要因素，開孔形狀對壓降的影響可能源自開孔率的變化，下文將對開孔率及煙氣流速的影響進行定量描述。

2.2 開孔率和煙氣流速對壓降的影響

基于第2.1節(jié)結(jié)論，進一步探究開孔率對壓降的影響。通過改變開孔孔徑、相鄰網(wǎng)孔的距離等方式改變攔截網(wǎng)的開孔率χ，模擬計算3種孔型攔截網(wǎng)在不同開孔率(通過改變臨界尺寸實現(xiàn))、不同流速下的壓降情況，如圖4所示。

圖4 攔截網(wǎng)壓降與開孔率的關系Fig.4 Relationship between interceptor pressure drop and porosity

使用冪函數(shù)對相同流速下的數(shù)據(jù)點進行擬合，具體為

ΔP=Cχβ,

(6)

式中，ΔP為壓降，Pa；C為擬合系數(shù)，Pa；β為經(jīng)驗常數(shù)。

可知3個流速下的擬合曲線決定系數(shù)分別為0.994、0.998、0.992。同一流速下不同開孔形狀的數(shù)據(jù)點均分布在同一條曲線附近，證明攔截網(wǎng)壓降主要與開孔率相關，開孔率越高壓降越小。在相同開孔率下，開孔形狀對攔截網(wǎng)壓降的影響幾乎可以忽略。不同流速下的壓降隨開孔率變化規(guī)律類似，流速增加會使壓降曲線上移。

根據(jù)以上結(jié)果，可以推斷出實際攔截網(wǎng)設計時，在確保攔截效果前提下，盡量選取開孔率較高的孔型(即長條形)，同時應綜合考慮結(jié)構(gòu)強度、加工成本等因素后進行選型設計。

2.3 攔截網(wǎng)厚度對壓降的影響

為探究攔截網(wǎng)厚度對其壓降的影響，改變攔截網(wǎng)厚度n，計算入口流速5.1 m/s時3種孔型攔截網(wǎng)在不同開孔率下的壓降情況，如圖5所示(藍色、橙色和紅色代表厚度分別為6、12、18 mm)，曲線為n=6 mm的壓降擬合曲線。由圖5可知，隨厚度增加，相同開孔率攔截網(wǎng)的壓降均小幅增加。為了更清晰展示攔截網(wǎng)厚度的影響，選取開孔率為0.51的攔截網(wǎng)，繪制壓降隨厚度變化關系(圖6)。可知隨厚度增加，壓降呈準線性增加。在實際工程應用中，受限于加工難度和結(jié)構(gòu)強度等，攔截網(wǎng)厚度變化范圍有限，與煙氣流速和開孔率相比，攔截網(wǎng)厚度對壓降影響較小。

圖5 攔截網(wǎng)壓降與厚度的關系Fig.5 Relationship between pressure drop and thickness of interceptor

圖6 開孔率為0.51時，壓降隨厚度變化Fig.6 Change of pressure drop with thickness at the porosity of 0.51

2.4 壓降及滲透率關聯(lián)式

攔截網(wǎng)開孔率、厚度以及流速對攔截網(wǎng)壓降的影響可用冪函數(shù)的形式來量化，因此將攔截網(wǎng)壓降進行擬合：

ΔP=(An+B)uαχβ。

(7)

其中，u為攔截網(wǎng)區(qū)域煙氣流速，m/s；A、B、α均為經(jīng)驗常數(shù)，A單位為Pa·sα·m-α-1，B單位為Pa·sα·m-α。對大量不同模擬工況下的數(shù)據(jù)點進行擬合，得到：

ΔP=(2.12n+0.24)u1.82χ-2.87。

(8)

可知式(8)的擬合決定系數(shù)為0.996，平均絕對百分比誤差為3.4%，擬合效果良好。已有研究報道攔截網(wǎng)阻力與其開孔率的3次方成反比[13]，即ΔP∝χ-3，這與式(8)規(guī)律接近，驗證了該擬合公式的可靠性。選取110個不同開孔形狀、煙氣流速、開孔率以及攔截網(wǎng)厚度組合工況，以模擬計算得到的壓降為橫坐標，以關聯(lián)式(8)預測壓降為縱坐標，將數(shù)據(jù)點繪制于圖7，當數(shù)據(jù)點位于y=x實線上時，表明公式預測與模擬結(jié)果吻合。可知所有數(shù)據(jù)點均位于±10%誤差范圍內(nèi)(圖7虛線)，證明上述關聯(lián)公式在流速5～20 m/s、攔截網(wǎng)開孔率40%～65%、厚度6～18 mm的工況下可以綜合反映三者對壓降的影響。

圖7 壓降公式預測值(式(8))與模擬結(jié)果值對比Fig.7 Prediction of pressure drop (Eq.(8))versus simulation results

對實際SCR系統(tǒng)進行CFD設計計算，通常采用多孔介質(zhì)對攔截網(wǎng)進行等效模擬，即采用多孔介質(zhì)代替具體的攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)型式，基于攔截網(wǎng)開孔率和滲透率等宏觀參數(shù)可以求解出流場經(jīng)過攔截網(wǎng)的壓力損失。滲透率kl的計算通?；谶_西定律，具體為

(9)

其中，Q為單位時間滲流量，m3/s；L為滲流長度，m；A0為流體通過多孔介質(zhì)的截面積，m2。該定律將流量、流體的物理性質(zhì)及多孔介質(zhì)的壓力梯度相聯(lián)系。將壓降公式代入基于達西定律的滲透率定義式，得到等效多孔介質(zhì)滲透率kl為

(10)

以上擬合公式為預測攔截網(wǎng)壓降以及設備尺度CFD等效模擬提供基礎，具有一定參考指導意義。

3 結(jié) 論

1)影響攔截網(wǎng)壓降的主要因素為氣流速度和攔截網(wǎng)開孔率。流速5～20 m/s、開孔率40%～65%時，攔截網(wǎng)壓降約與煙氣流速的2次方成正比，與開孔率的3次方成反比。

2)攔截網(wǎng)壓降與開孔形狀無明顯關聯(lián)，不同攔截網(wǎng)開孔形狀對攔截網(wǎng)壓降的影響主要通過開孔率變化實現(xiàn)。在確保攔截效果前提下，應盡量選取開孔率較高的孔型(如大長寬比的長條形)。

3)攔截網(wǎng)厚度為6～18 mm時，壓降隨厚度增加呈準線性增加，但受限于工程實際應用，攔截網(wǎng)厚度可變范圍小，故其對壓降的影響也較小。

4)基于模擬數(shù)據(jù)，給出了冪函數(shù)形式的壓降預測公式，描述壓降與開孔率、流速、厚度之間的關聯(lián)，并進一步推導了攔截網(wǎng)等效多孔介質(zhì)滲透率的經(jīng)驗表達式，為攔截網(wǎng)的選型設計及全尺度模擬計算提供理論依據(jù)。