SCR系統流場優化數值模擬研究

王海川，曾祥浩，廖艷芬，田云龍，馬曉茜

(華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

NOx作為熱力發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(SCR)作為重要成熟的脫硝技術得到廣泛應用[1-4]。由于SCR系統有多個轉彎和附屬設備，所以流場較為復雜。SCR脫硝系統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，進而影響SCR反應器的脫硝效率和氨逃逸率。SCR反應器內導流板的形狀、結構和布置方式等是影響SCR反應器速度場均勻性的重要因素[5-6]。

與現場試驗相比，計算流體力學(CFD)具有成本低、適應性廣、耗時短等優勢，目前國內外學者對SCR反應器的數值模擬工作較多。張鵬[7]通過對火電廠SCR反應器性能優化研究，發現隨煙氣速度升高，脫硝效率明顯下降，氨逃逸率增加；噴氨孔直徑的增加會使氨逃逸率降低。薛璐[8]對SNCR-SCR耦合技術進行數值模擬分析，通過添加導流板和格柵等方式，可使出口煙氣速度偏差降低。Shang等[9]通過大渦模擬(LES)發現SCR反應器瞬時速度場由各種小的再循環區和多個渦旋組成，并呈周期性變化；氨質量分數的周期性波動行為表明氨質量分數分布取決于速度分布。

目前對SCR流場優化多采用現場試驗方式，結合數值模擬的優化研究較少。本文以華南地區某燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝系統為研究對象，研究煙道導流板形狀和布置方式等因素對SCR反應器內流場的影響，為優化SCR反應器的流場氣流組織情況，合理設計SCR反應器導流板和整流板提供技術參考。

1 反應機理

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轉化為N2和H2O。脫硝反應主要包括以下過程：進入SCR反應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的時間不同，造成不必要浪費；同時煙氣氣流不均勻、氣流組織情況差會導致催化劑出現沖蝕，加劇催化劑損耗，導致催化劑堆積和堵塞。由于SCR反應器內所用催化劑昂貴，所以優化SCR反應器內流場對于延長催化劑使用壽命、提高催化反應的反應物接觸程度、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)脫硝反應主要的化學反應機理[11]如下：

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2 模擬對象

本文針對華南地區某350 MW燃煤鍋爐SCR系統，研究反應器內導流板布置情況對進入催化劑層煙氣均勻性的影響。SCR反應器結構如圖1所示。為減少煙氣突然轉向帶來的速度不均勻性,催化劑層頂端采用斜頂設計。

圖1 SCR反應器結構示意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。反應器總體尺寸如圖2所示。為保證模型的合理性、數值計算的收斂性和快速性，對噴氨格柵進行適當的簡化處理[12]，沿與煙氣氣流水平方向布置9根噴管，每個噴管上布置14個噴嘴。每個噴嘴的直徑為0.01 m。該反應器內催化劑層分為3層(其中最下層為備用反應層)。

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

導流板在SCR反應器內分3組布置，分別為入口導流板、左側導流板和右側導流板，各組導流板均布置在SCR反應器拐角處。其中入口導流板和左側導流板之間布置有噴氨格柵。

3 數學模型和修正算法

針對SCR反應器的流場優化數值模擬研究，湍流模型采用Realizablek-ε模型，采用拉格朗日-顆粒隨機軌道模型模擬飛灰顆粒的運動，多種組分的混合過程采用組分輸運模型。催化劑層的蜂窩狀結構采用多孔介質模型，其中沿煙氣流動方向的空隙較大，其他方向的空隙較小。煙氣視為不可壓縮氣體，滿足連續介質假設；為方便計算，假定SCR反應器入口處的氣體速度場分布均勻[13]。

3.1 網格劃分

SCR反應器的物理模型和內部結構相對復雜，所以采用分區域劃分的混合網格。計算域劃分為入口導流板區域、噴氨區域、左右導流板區域和催化劑層區域(圖3)，針對不同區域的幾何形狀特點和網格適應性，催化劑層區域采用六面體結構化網格，其他區域采用四面體非結構化網格。由于噴氨格柵不是SCR反應器整體氣流組織優化的重點研究區域，同時噴氨格柵網格的生成會極大增加數值計算的復雜性。所以該區域不生成網格，但其幾何結構仍然構建。由于反應器拐角處會形成渦流，所以針對拐角處網格進行適當加密。為了兼顧數值計算的準確性和快速性，總體網格數量在180萬左右。

圖3 SCR反應器網格劃分Fig.3 SCR reactor grid division

3.2 邊界條件

根據該生活垃圾焚燒電廠實際運行情況，速度入口為35 m/s，飛灰質量流量為10 kg/s，溫度為300 K。固體壁面、導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，分布指數為1.2。煙氣入口采用速度入口(velocity-inlet)，出口設置為outflow，反應器壁面和導流板和整流板均設置成標準壁面方程、無滑移邊界條件(wall)。催化劑層采用多孔介質模型[14]，孔隙率設置為0.9。煙氣出口成分見表1。

表1 煙氣出口成分

每個工況無飛灰顆粒冷態計算到3 500步收斂，加入離散相再計算3 500步至收斂。

為更好地量化評價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，隨機截取若干點進行數據處理獲得樣本點數據值xi(i=0～n，n為樣本點數,n=1 000)。

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

4 結果分析

4.1 導流板結構方案的選取

SCR反應器本身結構彎道較多，加裝導流板可以減少氣流經過彎道處的局部損失，減少流體經過彎道時的分離現象和渦旋帶來的能量耗散，進而提高進入催化劑層的流場均勻特性。針對具體的SCR反應器特點，需要對導流板的形狀進行選擇。導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個工況速度場的數值模擬分析，發現導流板的存在可使SCR反應器內氣流組織更加合理，減小拐彎處出現的邊界層分離現象。

圖4 導流板結構方案Fig.4 Deflector structure scheme

由于煙道入口較窄而催化劑層通道相對較寬，所以轉彎處出現回流現象。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)，發現直-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板存在進一步引導通過弧形導板的氣流，減少回流現象。通過對速度場云圖分析發現，前2組導流板中入口導流板和前導流板都能起到較好的引導作用；右導流板的引導作用較差。對比第1彎道和第2彎道的導流效果發現，直-弧-直形對于直角彎道的導流效果較好，其他方案在管道內側都存在較大的低速區，煙氣通過時能量耗散和局部損失較大。

圖5 不同導流板結構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 不同導流板結構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 不同導流板結構方案左側導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-直形導流板方案，催化劑層速度場截面的速度相對偏差仍達到18.84%，第3彎頭處仍形成較大的回流區，無法滿足實際工程要求，其主要在于SCR反應器為防止煙氣流通面積突然增大帶來的渦流現象而采用了斜頂設計，而右導流板無法均勻分配流量，所以形成局部低壓區和低速區，造成速度場不穩定。

4.2 導流板結構方案的優化

為進一步增加氣流的均勻性，減少對催化劑的沖蝕，需要針對幾何結構特性對右側導流板重新設計，進一步強化右導流板的引導作用，使各通道的流量分配更加合理。

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

圖8 改進后的右側導流板設計Fig.8 Improved right deflector design

方案甲將所有外側導流板全部布置成傾斜段，方案乙保留最內側導流板的“直-彎-直”設計，其他導流板改成傾斜段。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面積明顯減小。其中方案甲的流場在最外側形成較大回流區和低速區，這主要是由于最外側導流板和反應器壁面構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的速度遠大于內側速度，所以產生較大的回流區。方案乙由于第3彎道最內側導流板保持原有設計，所以最內側通道仍保持較大速度，回流區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，方案乙采用的右側導流板優化方案速度場更加均勻。

4.3 整流板層對流場的影響

對導流板結構優化后，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]。采用改進后的直-弧-直形(方案乙)作為右側導流板，加裝整流板后對速度場進行分析，在催化劑層上方布置整流板進一步強化對流體的引導。分別布置9、15、19塊導流板(分別對應工況1、2和3)。

不同整流板結構方案中心截面、上層催化劑入口截面速度云圖如圖11、12所示。可知，整流板對催化劑層上側區域的流體起更好的引導作用。由于外側流速較高，內側流速較低，所以不加裝導流板氣流對催化劑層右側催化劑的沖蝕較為強烈。加裝整流板后高速區的面積減小，回流現象改善。整流板可以對渦流區進行切割，更好地分配各個通道的流量。3組工況的速度偏差系數分別為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。整流板數量增加到19塊時，速度均勻性反而降低。這可能是由于導流板布置過多，煙氣通過導流板層受到的黏性力更為顯著，平均速度顯著降低。3個工況對應的速度標準差差別不大，但導流板為19塊時平均速度顯著偏小。煙氣氣流和擋板之間的黏性力導致貼近整流板壁面和2個導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，整流板數量15塊較為合適。

圖11 不同整流導板結構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 不同整流板結構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動量交換，運動黏度增加，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，分布指數為1.2。

SCR反應器速度跡線如圖13所示。可知由于進入整流格柵前速度場較為復雜，在低速區易形成積灰，特別是第2彎道外側和第3彎道傾斜處。現場檢查發現，催化劑的磨損集中在后墻區域，催化劑積灰主要集中在靠近前墻部分，這與數值模擬結果一致。

圖13 SCR反應器速度跡線Fig.13 SCR reactor speed trace

5 結 論

1)弧形導流板前的水平直板和導流板后的豎直直板可更好地引導氣流流動。與其他形狀相比，在反應器3個轉彎處分別布置“直-弧-直”導流板可更好地引導氣流流動，截面速度相對偏差最小。

2)針對本研究模型中的斜頂設計，進一步優化第3彎道處的導流板，導流板布置角度和斜頂布置角度相同，可以減少第3彎頭處的回流區面積。

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

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壁面。定期吹灰處理可以減少對催化劑層沖蝕。