90°方截面煙道氣固兩相流動優化設計

陳鴻偉， 程 凱， 賈建東， 朱棟琦

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

90°方截面煙道氣固兩相流動優化設計

陳鴻偉， 程 凱， 賈建東， 朱棟琦

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

為探究不同導流板設計對流場及飛灰濃度均勻性的影響，解決SCR煙氣脫硝系統彎曲段普遍存在的磨損和積灰問題，對某電廠SCR脫硝系統彎曲段進行CFD數值模擬，通過采用不同形式、不同數量導流板布置來探究轉彎后的水平煙道不同截面流場分布和飛灰濃度分布。結果表明：弧直形導流板可以有效改善流場分布均勻性。隨導流板數量的增加，流場分布均勻性的變化趨勢與飛灰濃度分布均勻性并不相同，不能通過流場分布優劣去判斷飛灰濃度分布優劣。距離轉彎長度為L處(L為出口截面邊長)濃度分布均勻性最佳。此外，飛灰濃度的大小對導流板的布置沒有影響。

SCR； 導流板； 流場分布； 濃度分布； 氣固兩相流； 數值模擬

0 引言

大氣污染主要來源于煤燃燒過程中生成的氮氧化物，在已開發出的多種燃煤煙氣氮氧化物治理技術中，選擇性催化還原反應(Selective Catalytic Reduction, SCR)以其技術成熟、脫硝率高、幾乎無二次污染等優點成為燃煤電站控制NOx的主要選擇[1]。進入SCR反應器之前煙氣與氨氣的混合程度顯著影響系統脫硝效率以及氨氣的逃逸率。

飛灰濃度分布的均勻性是影響催化劑堵塞的一個因素，提高飛灰濃度分布的均勻性，有利于改善催化劑層堵塞現象，但目前對煙道彎曲段的研究側重于對煙道內流場分布均勻性的影響。文獻[2]和文獻[3]分別基于2D和3D模型對SCR脫硝系統煙道彎曲段流場進行數值模擬，通過對流場速度云圖的分析，證明布置導流板可以有效提高流場分布的均勻性，但都沒有對飛灰濃度分布均勻性進行研究。

對加裝導流板的SCR系統90°彎曲煙道流場及飛灰顆粒運動進行了數值模擬。采用弧形和弧直形導流板，采用標準差系數對煙道出口煙氣以及飛灰顆粒濃度進行定量分析，深入探討了不同導流板設計對流場及飛灰濃度均勻性的影響。

1 研究對象

1.1 幾何模型

研究對象為某燃煤電廠的一段90°方截面的煙道，煙道的正視圖如圖1所示。AB為出口，EF為進口，進出口邊長為L，BC長度為2L，DE長度為L，FG長度為1.5 L，HA長度為2.5L。

圖1 煙道正視圖

1.2 計算模型

數值模擬采用三維穩態模擬，選用空氣作為煙道氣體，密度為1.225 kg/m3。煙道入口氣體粘度較小，流動為定常流動，不考慮壓縮性引起的相對誤差，可認為是不可壓縮流體[4]。煤粉鍋爐的排煙含塵濃度為14～20 g/m3，假設顆粒分布遵循Rosin-Rammler分布，最小粒徑2.5 μm,最大粒徑100 μm，中位徑51.4 μm，均勻性系數n=1.118，粒子密度2 600 kg/m[5]。分別取濃度1∶14 g/m3和濃度2∶20 g/m3，對應質量流量分別為21 kg/s和30 kg/s，探究飛灰濃度大小對導流板布置的影響。

對于流場的模擬采用標準k-ε湍流模型，采用壓力耦合SIMPLEC算法，隱式求解。同時為提高計算精度，采用二階迎風方式[6]。為保證計算精度，殘差余項設置為10-5。

網格劃分時，在布置導流板的區域為加密區域，對兩側壁面采用四邊形(Quad)網格，Pave方法進行劃分。生成面網格后再用Cooper方法生成六面體網格。對模型進行網格無關性驗證，劃分網格數量20萬，30萬，35萬，40萬。網格數量在30萬以上對計算結果影響不大，該模型網格數量在40萬以上，最大歪斜度不超過0.7，網格質量符合計算精度的要求。

采用DPM模型來處理固相飛灰顆粒，流體相為連續相，不考慮顆粒對流場的影響。顆粒的運動軌跡采用單向耦合的隨機軌道模型進行追蹤。考慮重力、Stokes’ 曳力、Saffman 升力等作用力對顆粒的影響。

邊界條件采用速度進口(15 m/s的入口速度)，壓力出口(計示壓力0 Pa)，煙道壁面無滑移[7]，顆粒撞擊壁面的反射系數為0.3。

流體流動過程中遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。

連續性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

湍流動能方程：

(4)

1.3 導流板設計

針對導流板的優化布置，分別采用弧形導流板和弧直形導流板，設計了6種設計方案。方案1～3中，分別在煙道轉彎處等間距布置6塊、7塊和8塊90°弧形導流板，弧板半徑均為0.12 L。方案4～6中，分別在煙道轉彎處等間距布置6塊、7塊和8塊90°弧直型導流板，弧板半徑為0.12 L，直板長度均0.1 L。兩種導流板的形式見圖2。

圖2 導流板設計

1.4 評價方法

在出口方向等間距取4個截面，距離轉彎處的距離分別為0.5L，L，1.5L，2L。采用標準偏差系數Cv來表征每個截面速度和飛灰顆粒濃度分布特性。Cv的定義如下[8]：

(5)

式中：

(6)

(7)

2 導流板布置對流場分布的影響

以加裝6塊導流板為例，探究加裝直板對流場均勻性的影響。

2.1 速度云圖和跡線圖

由圖3(a)的速度分布云圖可以看出，沒有布置導流板時，煙氣流經彎道后，在自身慣性作用下絕大部分從水平煙道上部通過，而中下部煙氣流量很小，相應的壓力也較小，導致一部分煙氣回流至低壓區，產生渦流。從圖3(b)跡線圖中可以看出，水平煙道內出現了大面積的渦流區，因此造成較大的局部能量損失。

圖3 不加導流板流場速度分布云圖和跡線圖

如圖4所示，對比不加任何導流板的工況，加裝弧形導流板后，流場均勻性明顯提高，水平煙道段的低速區域以及渦流區域明顯減小，說明弧形導流板的布置有利于提高流場分布的均勻性。

圖4 方案1的速度分布云圖和跡線圖

如圖5(a)的速度云圖所示，相比于方案1，采用弧直形導流板使得水平煙道段的流場分布均勻性得到進一步改善。在弧板后加裝直板，有效地減小了導流板尾部對流場的擾動，提高了導流板的分流能力。水平煙道底部渦流區消失，因此減小了能量局部損失。但是從圖5(a)中可以發現，最上面一塊導流板上方出現了一個高速區，出現這一區域的原因可能是由于加裝了直板導流板，使得氣體在流經該部分區域時，通道截面積先減少再增大，因而對氣體起到了加速作用。所以在電廠實際的布置中，應考慮在最上面的一塊導流板上加裝防磨裝置。

圖5 方案4的速度分布云圖和跡線圖

2.2 出口速度均勻性

圖6為不加導流板時，出口截面的速度分布云圖。圖7(a)和(b)分別為6塊導流板布置方案出口截面速度云圖。

從圖6中可以看出，不加導流板的情況下，出口截面速度分布極不均勻，特別是中下部，速度分布層次鮮明，且梯度很大。相比于不加導流板的工況，加裝弧形導流板可以提高水平煙道流場的均勻性，但從圖7(a)中可以看出，中下部速度分布梯度依然較大。而布置弧直形導流板的工況，如圖7(b)所示，整個出口區域速度分布十分均勻，速度均勻性得到大幅度提高。

不同設計方案與不加裝導流板工況下出口方向四個截面的速度均勻性如圖8所示。

從圖8中可以明顯看出加裝弧直形導流板的速度均勻性優于弧形導流板。水平煙道內沿煙氣流向，加裝弧形板流場分布均勻性整體呈現逐漸降低趨勢；加裝弧直形導流板速度分布基本不發生變化。相同板型情況下，增加導流板數量，可以提高流場分布均勻性。

相同板數的情況下，弧形導流板布置出口截面的速度均勻性系數Cv較弧直形導流板布置平均升高73.94%。說明弧直形的導流板布置對于速度場的優化效果優于弧形導流板布置，與文獻[9-10]研究結果基本一致。

圖6 無導流板時出口速度分布

圖7 出口截面速度云圖

圖8 不同板型對速度分布的影響

3 導流板布置對濃度分布的影響

對比圖9和圖10可以看出，不加裝導流板時，在左右兩側靠近壁面區域均出現了濃度較高區域，Cv值最高可達0.1；加裝6塊弧直形導流板，整個出口截面的均勻性顯著提高，壁面附近的濃度雖然比內部稍高，但Cv值最大僅為0.055。這說明加裝導流板有利于提高濃度分布均勻性。

如圖11所示為質量流量為21 kg/s時，加裝弧直形導流板對飛灰顆粒濃度分布的影響，從圖中可以看出在距離轉彎處小于1.5L處，隨著導流板數量的增加，飛灰濃度分布均勻性降低，與流場分布均勻性的變化趨勢相反。這說明流場分布與飛灰濃度分布不呈正相關，不能通過流場分布優劣去判斷飛灰濃度分布優劣。

圖9 不加導流板出口截面濃度分布

圖10 方案4出口截面濃度分布

為進一步分析導流板數量對飛灰濃度分布的影響，增加了3種導流板的設計方案。方案7～9分別為5塊、4塊和3塊弧直形導流板的布置方式，導流板均為等間距布置。

如圖12所示，水平煙道的顆粒濃度均勻性隨煙氣流向呈現先降低后提高的趨勢，距離轉彎長度為L處濃度分布均勻性最佳。這主要是當水平煙道過長時，飛灰顆粒受重力作用逐漸向煙道底部方向偏移，導致底部飛灰濃度高，中上部濃度低，從而降低了濃度分布均勻性。

圖11 弧直形導流板對濃度分布的影響

圖12 導流板數量對濃度分布影響

圖13 提高飛灰濃度對其分布的影響

圖13為質量流量為30 kg/s時，加裝弧直形導流板對飛灰濃度分布的影響。

對比圖12可以看出，飛灰濃度提高時，水平煙道的飛灰濃度均勻性隨煙氣流向趨勢不變。圖14 (a)～(c)分別為布置6～8塊弧直形導流板，在兩種飛灰濃度下4個截面飛灰濃度均勻性的對比，可以看出兩種濃度下，各截面的飛灰濃度均勻性基本不變。

圖14 濃度分布對比

由此可以得出，保持導流板的布置方式不變，飛灰濃度提高時，煙道各截面上濃度分布均勻性基本不變。即，在電廠實際運行中，煙氣中飛灰濃度的大小不影響導流板的布置。

4 導流板布置對進出口壓差的影響

如圖15所示，對于加裝弧直形導流板的工況，隨著導流板數量由3塊增加到8塊，壓差先減小后趨于穩定。與不加裝導流板的工況相比，煙道內的流場分布得到顯著改善，煙道內流體壓差大幅減小，進而使能量損失大幅降低。這說明，對于同一種板型，合理地增加導流板數量有利于提高流場均勻性，降低煙道進出口壓差和流體能量損失。繼續增加導流板的數量，會增加煙道中流體的阻力[11]，壓差和能量損失也會隨之增加。

圖15 不同工況進出口壓差

5 結論

通過對不同導流板設計方案速度分布、濃度分布以及進出口壓差的分析，可以得到以下幾點結論：

(1)弧直形導流板的布置方案可以有效改善流場分布均勻性，減少因管道彎曲產生的二次流。

(2)水平煙道內，沿煙氣流向速度分布均勻性基本不變；飛灰濃度分布均勻性呈現先降低后升高的趨勢。距離轉彎處小于1.5 L(L為出口截面邊長)，隨著導流板數量的增加，飛灰濃度分布均勻性降低，距離轉彎長度為L處濃度分布均勻性最佳。因此，在實際電廠運行中，可以考慮在煙道彎曲段后距離為L處布置氨氣與煙氣的靜態混合器。

(3)對于同一種板型，導流板數量從3塊增加到8塊，流場進出口壓差先減小后趨于穩定。說明在合理的范圍內增加導流板的數量有利于提高流場均勻性，降低流體流動的能量損失。

(4)隨導流板數量的增加，流場均勻性的變化趨勢與飛灰濃度分布均勻性并不相同，不能通過流場分布優劣去判斷飛灰濃度分布優劣。

(5)對于最佳導流板優化方案的確定，應從流場分布均勻性、飛灰濃度分布均勻性、進出口壓差以及材料造價等多方面考慮。煙氣中飛灰濃度的大小不影響導流板的布置。對于90°方截面煙道而言，最佳優化方案為布置6塊弧直形導流板。

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Optimized Design of Gas-Particle Two-Phase in the 90° Square Section Flue

CHEN Hongwei， Cheng Kai， JIA Jiandong， ZHU Dongqi

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,China)

In order to explore the influence of different flow deflectors designs on the uniformity of the flow field and fly ash concentration and solve the problems of wear and tear as well as fouling in the bending section of SCR flue gas denitrification system, the CFD numerical simulation of the bending section of SCR flue gas denitrification system is carried out. The distribution of flow field and fly ash concentration in different cross sections of horizontal flue are discussed by using different forms and different number of flow deflectors. The results show that the arc-straight flow deflectors can effectively improve the uniformity of the flow field distribution. Whereas, with the increase of the number of flow deflectors, the trend of uniformity of flow field distribution is not the same as that of fly ash concentration distribution. Hence the distribution of fly ash concentration cannot be judged by the condition of the flow field distribution. The concentration distribution uniformity is best when the distance is L(L is the length of the exit section). In addition, the concentration of fly ash has no influence on the arrangement of the flow deflectors.

SCR; flow deflectors; flow distribution; concentration distribution; gas-particle two-phase; numerical simulation

2017-07-17。

湖北省自然科學基金(E2017502004)。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.010

X701.2

A

1672-0792(2017)11-0054-07

陳鴻偉(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向為高效、清潔燃燒及環境污染控制；程凱(1994-)，男，碩士研究生，主要研究方向為高效、清潔燃燒及環境污染控制。