某燃煤電廠SCR脫硝系統噴氨格柵前流場優化研究

方俊，吳宇星，朱曙光

(南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094)

2021年，我國的燃煤發電量約占我國總發電量的54.56%[1]。為降低電廠排放物中的氮氧化物含量，燃煤電廠主要使用SCR(Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原法)脫硝技術。該技術具有脫硝效率高、運行可靠、技術成熟等優點，但在實際運行過程中也存在脫硝效率低、煙道積灰嚴重和催化劑層磨損嚴重等問題[2]。在SCR脫硝系統中，流場是否均勻將對噴氨效果、系統的脫硝效率和積灰問題起著決定性作用[3]。理想的流場不但可以提高SCR脫硝效率，還可以延長催化劑的使用壽命[4]。趙仕斌[5]通過數值模擬發現在噴氨格柵前拐角處布置導流板可以消除煙氣在煙道轉角處的漩渦、回流現象，使得煙道流場均勻性大大改善。韋振祖等人[6]針對某電廠的SCR脫硝系統進行流場優化，通過布置合適導流板使得系統流場明顯改善。

目前絕大部分電廠SCR脫硝系統的噴氨格柵安裝在煙道第一拐角后的豎直煙道內，以此為依據的流場優化研究也較多，而文獻[7]所研究電廠的SCR脫硝系統噴氨格柵安裝在省煤器出口和第一拐角間的水平煙道內，空間狹小，流場優化難度較高，可借鑒的流場優化經驗較少，因此本文以該電廠噴氨格柵前流場為研究對象。為優化相同流場，文獻[7]未研究導流板對流場的具體影響，而是直接通過布置足夠多的導流板實現目的，但是造成較大阻力。而本文采用三維建模和數值模擬的方法，詳細探究不同布置方案的導流板對流場的影響，總結導流板布置規律，通過較少數量導流板對流場進行優化，同時對流場阻力不造成過大影響，為實際應用提供參考。

1 數值模擬

1.1 研究對象及幾何模型

本文使用SOLIDWORKS軟件按照1∶1的比例繪制出SCR脫硝反應器的三維模型。反應器的入口尺寸為13 480 mm×3 820 mm，第一拐角底面與第二拐角頂面的距離為14 550 mm，第二拐角頂面與煙道出口底面的距離為27 200 mm，催化劑層的平面尺寸為11 640 mm×15 000 mm，脫硝系統煙道的具體結構如圖1所示。

1.2 模型簡化

為便于數值模擬的條件設置，減少計算時間，現對模型進行如下簡化：

圖1 四川某電廠SCR脫硝系統結構圖

1)假設煙氣為不可壓縮牛頓流體，在反應器內為定常流動；

2)煙道壁面為絕熱壁面，系統不與外界發生熱交換；

3)因導流板厚度相對煙道截面很小，故不計導流板厚度對流場的影響；

4)忽略煙道內部結構(如支撐桿、梁等)對流場的影響；

5)忽略各物質間的化學反應。

1.3 邊界條件及控制方程

模型的入口邊界條件為速度入口，具體的入口速度是在實際運行中將煙道入口均分為4行×11列，采用畢托管分別測得機組輸出功率為475 MW時的入口速度具體如表1所示[7]。

表1 入口速度值 m/s

脫硝系統的壁面及內部導流板等選用標準壁面函數，催化劑層設置為多孔介質模型，孔隙率為0.8，出口邊界條件設為壓力出口，相對壓力設為0 Pa，壓力速度耦合選用SIMPLE算法，煙氣在煙道內的流動模型設為湍流，且選用標準k-ε模型。該模型下的k方程和ε方程分別為：

(1)

(2)

1.4 流場均勻性評價標準

為衡量SCR脫硝系統中煙道流場的均勻性，通常使用速度標準偏差系數Cv值作為判斷標準，主要通過下式計算獲得：

(3)

(4)

(5)

1.5 網格劃分及獨立性驗證

本論文中的煙道模型整體較為規則，僅在第三拐角處較為復雜，因此在第三拐角處采取非結構網格繪制，其余部分均使用結構化網格。通過設置不同的網格數對模型進行模擬，從圖2中可以看出，當網格數達到886萬時，隨著網格數的增加，Cv值基本保持不變。因此，確認最終模型網格數為886萬。

圖2 噴氨格柵前Cv值

2 模擬結果及分析

2.1 初始流場結果分析

將繪制好的網格文件導入FLUENT中，并對模型進行相關設置，運用數值模擬的方法對該電廠的原始導流板布置方案進行模擬。噴氨格柵前的速度云圖如圖3。

圖3 噴氨格柵前速度云圖

由于本文的數值模擬入口煙氣流速并不均勻，因此從噴氨格柵前的速度云圖可以看出，在靠近右側煙道壁面(云圖右側)處存在一個面積較大低速區域，同時云圖的其他區域也存在著高速區域和低速區域。經過計算，噴氨格柵前的Cv值為19.33%，高于15%，因此需要在噴氨格柵前布置導流板，降低Cv值，提高流場的均勻性。

2.2 單塊導流板對流場的影響

因本文主要對噴氨格柵前的流場進行研究，從圖3可以看出流場最右側區域為一片綠色區域，即低速區域(0～2 450 mm)，緊鄰該低速區的為一片紅色區域，即高速區(2 450～4 000 mm)。由于在距離煙道右側壁面0～4 000 mm的區域速度分布特征明顯，在該區域布置導流板可更好地探究導流板分別布置在高速區和低速區時對噴氨格柵前流場的影響，因此選擇該區域為具體研究對象，該區域的流速云圖如圖4所示。

圖4 距離煙道右側壁面0～4 000 mm區域速度云圖

在距離鍋爐右側壁面2 000～3 000 mm范圍內每100 mm分別安裝一塊長度為500 mm和700 mm的導流板，導流板的安裝角度分別為10°、20°、30°、40°、50°和60°，研究不同長度導流板在不同的安裝位置和安裝角度對噴氨格柵前流場的影響。其中導流板安裝角度為導流板與煙氣主流方向的夾角。為尋求合適的安裝角度，現以導流板長度為500 mm且安裝位置距煙道右側壁面3 000 mm為例，探究不同的安裝角度對入口與噴氨格柵前壓差的影響，詳見圖5。

圖5 各安裝角度下入口與噴氨格柵前壓差圖

從圖5可以看出，與噴氨格柵前未布置導流板的方案進行對比，當導流板的安裝角度分別為10°、20°和30°時，入口與噴氨格柵前壓差有所降低，說明導流板使煙氣流動更加順暢。當安裝角度超過30°時，入口與噴氨格柵前壓差逐漸增大，即導流板對流場造成的阻力也在增加。因此，繪制出安裝角度為10°、20°和30°時各個工況下噴氨格柵前的流場Cv值折線圖，詳見圖6。

圖6 噴氨格柵前Cv值折線圖

從圖6可以看出，當導流板長度和安裝角度相同時，導流板安裝在高速區(2 450～3 000 mm)對流場的優化效果更好；若導流板的長度和安裝位置相同，隨著安裝角度的增加，導流板對噴氨格柵前流場的優化效果也越來越好，即當安裝角度為30°時導流板對流場的優化效果最好；并且當導流板的安裝角度為30°時，長度為500 mm的導流板對噴氨格柵前流場的優化效果更好。因此本文選擇導流板長度為500 mm，并將導流板安裝在距離鍋爐右側壁面3 000 mm處，安裝角度為30°。

2.3 多塊板聯合優化

在實際生產中，當低速區域過大而單塊導流板的引流效果有限時，可同時使用多塊導流板，按照煙氣流動方向順次安裝，以“接力”的方式對氣流進行引導。而在對多塊導流板進行安裝時，需對導流板間的縱向距離進行控制。如果兩塊導流板間的縱向距離較小，將會導致流過兩塊導流板間的煙氣減少，由導流板的阻流作用引起的低速區域的范圍會變大，不利于流場調整。本文將第二塊導流板安裝在距離第一塊導流板縱向深度750 mm處。為保證第二塊導流板可以對第一塊導流板引導后的高速氣流繼續進行引導，首先對預安裝第二塊導流板的平面上距離煙道右側壁面0～4 000 mm范圍內的氣流速度值進行導出和處理，確認距離煙道壁面2 000～2 250 mm范圍內的氣流速度較高，因此將第二塊導流板初步安裝在該范圍內。其次通過調整導流板的安裝位置和角度，使噴氨格柵前的流場Cv值達到最低。經過模擬后，最終確認第二塊導流板安裝在距離煙道壁面2 533 mm處，安裝角度為30°，其余導流板的安裝方法與此類似。

經過大量模擬后，噴氨格柵前最終的導流板安裝方案如圖7，此方案下的噴氨格柵前Cv值為13.62%，低于15%，優化效果較好。之后對催化劑層前流場進行優化，在優化此處流場時，為減少工作量，保持圖1中第一、二拐角處導流板布置方案不變，僅在第三拐角處優化導流板布置。圖8為模擬后所得的第三拐角處導流板布置方案示意圖，優化后催化劑層前的Cv值為11.62%，流場均勻性得到顯著提升。

為優化同一流場，文獻[7]在噴氨格柵前布置15塊導流板，最終將噴氨格柵前Cv值降為13.92%，而本文的優化方案使用了11塊導流板，將噴氨格柵前Cv值降為13.62%，優化效果稍好。同時由于本文使用的導流板更少，經過模擬計算后得出煙道入口與噴氨格柵前的壓差約為6 Pa。為得出文獻[7]中的對應壓差，本文對文獻[7]中的導流板布置方案進行繪制和模擬，最終得出其煙道入口與噴氨格柵前的壓差約為134 Pa，遠高于6 Pa。因此，本文的導流板布置方案可降低系統引風機能耗，從而降低運行成本，優化效果更好。

圖7 噴氨格柵前導流板安裝示意圖

圖8 第三拐角處導流板布置方案示意圖

2.4 多工況優化效果驗證

為驗證該導流板布置方案優化效果的穩定性，現將機組輸出功率分別為510 MW和572 MW運行工況時的入口速度輸入模型[7]。經過模擬計算，優化后的導流板布置方案可分別將510 MW運行工況的噴氨格柵前和首層催化劑層前Cv值優化至14.43%和13.75%，將572 MW運行工況的噴氨格柵前和首層催化劑層前Cv值優化至12.61%和11.48%，均低于15%，證明該導流板布置方案有效。

3 結語

本文通過數值模擬的手段，研究不同位置不同結構導流板對噴氨格柵前以及整個脫硝流場的影響，具體結論如下：

(1)導流板安裝在高速區域對流場的優化效果更好，同時導流板的流場優化效果也隨著安裝角度的增加而提升，但當角度超過30°時，流場阻力過大，故安裝角度不宜超過30°。

(2)在噴氨格柵前和第三拐角處均布置11塊導流板，可將噴氨格柵前Cv值降至13.62%，首層催化劑層前的Cv值降至11.62%，均低于15%，同時與文獻[7]中的優化方案對比，噴氨格柵前使用導流板數量更少，壓差更低，耗能更少，效果更好。

(3)分別在機組輸出功率為510 MW和572 MW運行工況下對優化后的導流板布置方案進行驗證，最終兩種工況下的噴氨格柵前和首層催化劑層前Cv值均低于15%，證明方案可行。