SCR外置煙道折彎導流板下行程度的數值研究

王琦，李凱，王愛晨，詹曉艷，馮園中

（嘉興新嘉愛斯熱電有限公司，浙江 嘉興 314016）

1 前言

氮氧化物統稱NOx，是大氣的主要污染物之一，不僅會生成酸雨破壞環境，而且會導致呼吸系統疾病，危害人體健康。因此，國家對NOx排放作出了嚴格的限制。為使NOx排放符合標準，電站鍋爐廣泛采用較為成熟的選擇性催化還原（SCR）脫硝技術。然而在運行過程中，煙氣中的飛灰會對SCR催化劑造成磨損與堵塞，影響SCR催化劑的活性與使用壽命。脫硝反應器堵塞后，還會引起煙氣阻力的大幅升高，導致引風機電耗的上升。此外，脫硝效率下降時需增加氨的用量，從而致使氨逃逸增加，加劇下游設備的積灰堵塞。

為減輕飛灰顆粒對SCR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外置煙道的增加，將加劇脫硝反應器入口流場的不均勻性。為改善脫硝反應器入口流場，增設了折彎導流板。然而，導流下行程度對流場改善效果存在較大影響。因此，本文將開展SCR外置煙道折角導流板下行程度的數值研究，以此獲得導流板下行尺寸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

用以捕集煙氣中飛灰顆粒的SCR外置煙道結構如圖1所示。其中，為改善脫硝反應器入口流場在煙道折彎處增設了3塊導流板，將煙道折彎等分為4個子煙道。在SCR外置煙道內，煙氣首先經過慣性分離彎頭改變煙氣流向。此時，煙氣中的部分飛灰顆粒因慣性作用而無法跟隨煙氣的流動。偏離煙氣軌跡的顆粒與煙道壁面碰撞而被捕集，捕集的飛灰可通過頭處的排灰口排出。經過慣性除塵后的煙氣進入煙道折彎再次改變流向，最后流經下行煙道內的脫硝反應器進行煙氣脫硝。按照實際尺寸對SCR外置煙道進行建模，并以此作為數值計算區域。

圖1 SCR外置煙道及其導流板示意圖

根據鍋爐DSC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，煙氣的粘度為2.82×10-5Pa·s。入口處的煙氣流速為7m/s，煙氣參數詳見表1。脫硝反應器安裝于煙道折彎出口下方3m處，因此導流板下行程度的取值范圍選定為0.5m、1.0m以及1.5m。

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。根據壁面函數選定y+值，并對數值結果進行了網格無關性驗證。

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，煙氣的密度與粘度如表1所示。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。

表1 煙氣參數與導流板下行長度

3 計算結果與分析

圖2所示為脫硝反應器入口截面的速度云圖。其中，（a）為無導流板時，脫硝反應器入口的流場分布。可以看到，入口截面外側是煙氣流動的高速區，中間區域流速最低，而入口截面外側區域速度有所上升。截面上中心線的速度曲線反映了上述速度分布趨勢，見圖3。根據圖3，入口截面上一半以上區域的煙氣流速小于2m/s；而在入口截面外側，煙氣流速高達8m/s以上。原因在于，煙氣經過煙道折彎后，在慣性作用下煙氣向煙道外側偏斜。因此，大量煙氣集中于煙道外側以高流速通過脫硝反應器入口截面。

圖3 脫硝反應器入口截面中心線速度分布（無導流板）

為改善脫硝反應器入口流場的均勻性，增設了折彎導流板，見圖1。當導流板下行深度為0.5m時，脫硝反應器入口截面的流場如圖2（b）所示。由圖可知，入口截面外側煙氣流速顯著下降，但是截面內外側仍呈現出明顯流速分區現象。脫硝反應器入口流場的均勻性仍有待進一步提高。因此，增大導流板下行深度至1.0m，所得入口截面的流場分布如圖2（c）所示。導流板下行深度增加后，其對煙氣偏斜的阻擋作用增強，截面外側流速進一步下降，內側低流速區面積有所縮小。此時，脫硝反應器入口流場的均勻性得到了較好的改善。為探究導流板下行尺寸對流場均勻性的影響規律，繼續增加導流板下行深度至1.5m，脫硝反應器入口流場變為圖2（d）所示的分布情況。可以發現，導流板下行程度越大，對煙氣的分流作用越強。圖2（d）中，煙氣流動的高速區和低速區進一步縮小；截面中間區域雖然仍有一定的速度分區現象，但是差值較小。圖4中截面上中心線的速度曲線反映了上述流速變化趨勢。截面外側最大流速從無導流板時的8m/s下降到了4m/s。截面中間部分呈現為“M”型速度分區，但增幅較小，流場均勻性得到改善。

圖2 脫硝反應器入口截面的速度云圖

圖4 脫硝反應器入口截面中心線速度分布（下行1.5 m)

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5展示了脫硝反應器入口截面在不同導流板下行長度時的速度不均勻系數。根據圖5，無導流板時脫硝反應器入口的速度不均勻系數為139.0%，速度分布極為不均。因此，在進行SCR外置煙道改造后，必須增設導流板以此改善脫硝反應器入口流場的均勻性。當增設的導流板下行長度為0.5m時，脫硝反應器入口的速度不均勻系數降低至108.4%。雖然入口流場的均勻性有所改善，但速度分布仍不均勻。增大導流板下行長度至1.0m時，脫硝反應器入口的速度不均勻系數進一步降低至86.9%。此時，入口流場的均勻性得到了較好的改善。繼續增大導流板下行長度至1.5m時，脫硝反應器入口的速度不均勻系數下降到84.0%。可以發現，導流板下行程度越大，對脫硝反應器入口流場均勻性的改善作用越強。所以在進行折彎導流板設計時，需要注意保障導流板有足夠的下行程度。但是，導流板下行程度過大時，對脫硝反應器入口流場均勻性的提高作用減弱。因此，折彎導流板設計時，還應注意導流板下行程度的控制，避免導流板下行程度過大造成的浪費。

圖5 不同導流板下行長度的速度不均勻系數

4 結語

通過數值模擬，研究了SCR外置煙道折角導流板下行程度對脫硝反應器入口流場均勻性的影響規律，所得結論如下：隨著導流板下行程度的增大，脫硝反應器入口流場均勻性逐步提高。當導流板下行長度為1.5m時，脫硝反應器入口流場的速度不均勻系數從無導流板時的139.0%下降至84.0%，流場均勻性得到明顯改善。然而，進一步增加導流板下行長度對入口流場的改善作用越弱。因此，折彎導流板的設計存在最佳下行長度，本文條件下的最佳值為1.0m。