SCR外置煙道流場優化的數值模擬

李凱，金建榮，談群，孫堅，王嵩聳

（嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

選擇性催化還原（SCR）是一種燃燒后降低NOx生成的脫硝技術，廣泛應用于電站鍋爐煙氣脫硝。以NH3為還原劑，將NOx還原為N2，NOx的分解程度取決于催化劑的有效性。由于反應溫區的限制，催化劑床層通常采用高塵布置。在這種脫硝系統中，煙氣尚未進行除塵處理，煙氣中的飛灰會對催化劑產生磨損與堵塞。催化劑的磨損與堵塞將減少NOx與催化劑的接觸面積，降低煙氣脫硝效率。此時，為確保NOx排放符合環保要求，不得不加大噴氨量，進而導致氨逃逸升高，加劇下游設備的積灰與堵塞問題。此外，催化劑通道堵塞后，煙氣流動阻力快速上升，引起引風機能耗的大幅增加。

為減輕煙氣飛灰對催化劑的磨損與堵塞，設計了SCR外置煙道對煙氣中的飛灰顆粒進行捕集分離。但是，SCR外置煙道改造后，改變了煙氣的流程，引起了脫硝反應器入口流場均勻性的惡化。為改善脫硝反應器入口流場，增設了折彎導流板。然而，導流板布置對流場改善效果存在較大影響。因此，本文將開展SCR外置煙道折彎導流板布置的仿真分析，以此確定導流板位置對流場均勻性的影響規律，為SCR外置煙氣流場優化提供理論指導。

2 模型描述與數值方案

2.1 物理模型

對鍋爐機組進行了SCR外置煙道改造，采用的SCR外置煙道結構如圖1所示。煙氣首先從豎井煙道引出，經慣性分離折角后進入水平段外置煙道。隨后含塵煙氣流經慣性分離彎頭改變煙氣流向，進入上行段外置煙道。在慣性的作用下，部分煙氣中的飛灰未能跟隨煙氣改變流向而被分離。分離出的飛灰通過彎頭處的排灰口排出。除塵后的煙氣經第二個折彎進入布置有脫硝反應器的下行煙道。脫硝后的煙氣將返回原煙道與空預器進行熱交換。為改善脫硝反應器入口流場，設計了折彎導流板，見圖1煙道折彎處。根據實際運行數據，SCR外置煙道出口煙氣溫度約300℃，其物理性質按標準煙氣進行計算。因此，煙氣密度為0.617kg/m3，煙氣的黏度為2.82×10-5Pa·s。入口處的煙氣流速為2m/s。折彎導流板的水平段由煙道折彎出口引出至下行煙道入口。不同布置方案下各導流板間的間距如表1。

圖1 SCR外置煙道及其導流板示意圖

表1 不同布置方案下各導流板間的間距

2.2 數值模型與計算方法

煙氣在SCR外置煙道內的流動過程采用ANSYS FLUENT 17.2進行穩態模擬。采用GAMBIT軟件對圖1所示的計算域進行網格劃分，通過分塊法劃分了六面體網格。結合壁面函數與網格無關性驗證，確定計算域網格數。

選用標準k-ε湍流模型與標準壁面函數，計算湍流流動。忽略煙氣流動過程中的熱交換，煙氣的密度與黏度為常數。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格式，其余控制方程的空間離散均采用二階迎風格式。

3 計算結果與分析

CASE1-6不同折角導流板間距工況下，脫硝反應器入口平面的速度分布如圖2所示。根據圖2可知，CASE1工況下煙氣向煙道外側偏斜嚴重，使得在脫硝反應器入口外側截面上出現了高速區。這是因為該工況下導流板間距普遍較大，導流板向外側傾斜程度相應較大，對煙氣的阻擋限制作用較弱。因此，煙氣在慣性作用下向煙道外側偏斜聚集，最終在脫硝反應器入口外側截面上形成高流速區。此外，在靠近煙道內側的區域發生了速度分區，即緊貼內壁面處煙氣流速較低，向外一段距離的區域流速快速升高。這說明導流板U間距不宜過大，否則，會形成局部的煙氣偏斜聚集現象。CASE3工況下，由于W間距較小，雖然部分煙氣在慣性作用下向外側偏斜，但仍有大量煙氣在該通道對應的區域聚集，因此，在脫硝反應器入口截面中偏上區域出現了高流速區。在CASE4中，放寬了W間距，但V間距縮小。此時，脫硝反應器入口截面中偏上區域流速降低，但近壁面區域的流速有所上升。所以，V、W、X的間距應當在保持接近的條件下進行微調。于是，有了CASE5與CASE6的布置方案，兩方案中反應器入口截面的煙氣流速分布逐漸區域均勻。

圖2 CASE1-6工況下反應器入口截面的速度云圖

采用速度不均勻系數Cv來表征流場分布的均勻程度，其定義方式如下：

圖3所示為CASE1-6工況下脫硝反應器入口的速度不均勻系數。與圖2中脫硝反應器入口截面的速度云圖對應，CASE1工況下，脫硝反應器入口的速度不均勻系數最高，為34.8%。CASE2-4的速度不均勻系數雖然逐步從28.6%下降至24.2%，但是，其不均勻程度仍較高，不符合工程上速度不均勻系數小于15%的要求。經過分析后，對方案進行調整得到CASE5-6。在這兩個方案下，脫硝反應器入口的速度不均勻系數進一步降低。最終，CASE6方案的脫硝反應器入口速度不均勻系數為14.7%，滿足了工程要求。

圖3 CASE1-6工況下脫硝反應器入口的速度不均勻系數

4 結語

通過數值模擬，研究了SCR外置煙道折角導流板布置位置對脫硝反應器入口流場均勻性的影響規律，所得結論如下：煙道折角出口近壁面的導流板布置間距不宜過大，否則，會形成局部的煙氣偏斜聚集現象。中間導流板的布置間距應當相互接近，差距過大時，會出現煙氣局部聚集的現象。設計不佳的煙道折角導流板布置將導致脫硝反應器入口速度分布得不均勻。經過分析優化，獲得了符合工程要求的SCR外置煙道折角導流板布置方案，使得脫硝反應器入口速度不均勻系數低于15%。