双变截面SCR脱硝系统导流板优化设计

王朝阳; 陈鸿伟; 王广涛; 朱楼; 朱栋琦

doi:10.12030/j.cjee.201805106

双变截面SCR脱硝系统导流板优化设计

1.
华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定 071003
基金项目:

Optimization design of deflector for SCR denitration system with double variable cross-section

1.
School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China
Fund Project:

摘要: 根据某电厂1 000 MW塔式锅炉脱硝系统催化剂首层速度偏差较大的问题，建立了基于CFD仿真分析技术的三维SCR脱硝系统数学模型，对该系统双变截面烟道处的导流板布置方式进行研究，以优化催化剂首层的速度分布。通过对比不同结构导流板下的结果，提出将原始SCR系统的双变截面烟道拆分为X方向和Z方向2个变截面烟道的改造方案。在此结构下重新进行优化设计，改造后系统内的回流区和低速区消除，流场均匀性显著提升，取得了积极的效果。为实际电厂优化调试，解决类似工程问题提供了参考数据。
- 选择性催化还原 /
- 数值模拟 /
- 双变截面 /
- 导流板 /
- 结构优化
Abstract: Aiming at the problem that the velocity of the first layer of the catalyst in the denitration system of a 1 000 MW coal-fired unit is relatively large, a mathematical model of the three-dimensional SCR denitration system based on CFD simulation technology is established, and the arrangement of the deflector at the double-variable cross-section flue of the system is performed. Research was conducted to optimize the velocity profile of the first layer of the catalyst. By comparing the results of the different structures under the baffle, a reconstruction scheme for splitting the double variable cross-section flue of the original SCR system into two variable cross-section flue ducts in the X direction and the Z direction was proposed. Under this structure, the optimal design was re-optimized. After the transformation, the recirculation zone and the low-speed zone were eliminated. The homogeneity of the flow field was significantly improved, and positive results were achieved. It provides some reference data for the optimization of actual power plants and solving similar engineering problems.
- selective catalytic reduction /
- numerical simulation /
- double variable section /
- deflector /
- structure optimization

衡量SCR脱硝系统性能好坏的2个重要指标为脱硝效率和氨逃逸量，二者受流场均匀性影响较大^[1]。烟道内导流板、喷氨格栅、整流格栅等装置的合理设计是保证烟气具有良好流动分布的必要前提，利用计算流体力学（CFD）对模型进行建模计算并模拟烟气流场，不但速度快而且节省成本，得到广泛应用。许多学者^[2-11]深入研究了不同导流板布置方式（包括位置、数量、外形尺寸）对脱硝反应器流场的影响规律，使流场结构满足技术指标的要求。杨松等^[12]通过在脱硝装置入口段烟道采用圆弧过渡转角，消除了低速区，并在脱硝装置前的水平混合段添加折板，缓解了斜顶夹角处的局部高速区。徐妍等^[13]对反应器入口上方楔形顶结构处的导流板进行设计，发现采用直型导流板和弧形导流板联合布置的方式，有利于烟气与氨气的混合。于飞等^[14]定量分析了90°矩形截面缓转弯头处导流板的起止位置、中心角及分割流道方式对其转向后不同位置参考截面处的流场分布的影响规律。

上述研究成果都是基于π型锅炉进行的，本研究以某电厂1 000 MW塔式锅炉的SCR脱硝系统为研究对象，针对其双变截面烟道对系统流场均匀性影响较大的问题，对其烟道结构和均流部件选型进行优化分析，最终为脱硝反应系统的设计提供参考。

1 研究对象及边界条件

1.1 模型概况

原始SCR结构如图1所示，利用Gambit软件按照1:1的比例建立了该电厂SCR系统的三维模型，长24.2 m，宽27.5 m，高71.4 m。研究范围从锅炉省煤器出口至空气预热器入口烟道，包括导流板、脱硝反应器以及反应器的进、出口烟道，SCR催化剂按照2+1层布置考虑，忽略烟道的内部结构（构架、梁等）及导流板厚度，将其处理成面。根据模型构造采用四面体和六面体相结合的混合网格划分方法，划分网格前对模型进行分区，在急转弯头和添加导流板的位置采用非结构的四面体网格并局部加密，剩余直线段烟道采用结构化的六面体网格，经网格无关性验证，整体网格数约为105万个。

图1 原始SCR结构
Fig. 1 Original SCR system structure

1.2 边界条件

本次模拟在BMCR工况下进行，脱硝系统入口烟气中NO_x含量为450 mg·m⁻³，所排放烟气的各组分含量见表1。烟气入口选择速度入口边界,湍流参量的指定方法为湍流强度和水力直径，如表2所示。烟气出口设为自由出流Outflow边界条件，反应器壁面和导流板均设为壁面条件，并采用标准壁面函数和无滑移绝热边界条件。

表1 入口烟气体积分数
Table 1 Inlet gas volume fraction %

表1 入口烟气体积分数
**Table 1** Inlet gas volume fraction %
SO₂	O₂	H₂O	CO₂	N₂
0.03	3.24	9.11	14.38	73.24

表2 入口边界条件
Table 2 Inlet boundary conditions

表2 入口边界条件
**Table 2** Inlet boundary conditions
烟气入口速度/（m·s⁻¹）	烟气入口温度/K	水利直径/m	湍流强度/%
15	654	9.258 5	2.55

2 数值模拟及评价指标

2.1 模拟方法

2.1.1 数学模型

SCR系统流体流动问题的控制方程，无论是连续性方程、动量方程还是能量方程都可以用以下通用形式表达：

$\frac{\partial (ρ ϕ)}{\partial t} + div (ρ u ϕ) = div (Γ grad ϕ) + S$

(1)

式中：各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项；

$ϕ$ 为广义变量，可以是速度、温度或浓度等待求变量；

$Γ$ 为相应于

$ϕ$ 的广义扩散系数；

$S$ 为广义源项。

2.1.2 多孔介质模型

使用Porous多孔介质模型模拟催化剂层的蜂窝状结构，避免按照实际尺寸划分网格所产生的大量网格对计算造成制约，并假设烟气在催化剂层中的流动状态为层流。根据式(2)算出该模型的设置参数：黏性阻力系数1/

$α$ 和惯性阻力系数

$C_{2}$ 。保证流动方向2个参数的大小较其他2个方向偏低，以接近实际情况造成的压损。

$S_{i} = \frac{μ}{α} ν_{i} + \frac{1}{2} ρ | ν_{i} | ν_{i} C_{2}$

(2)

式中：

$S_{i}$ 为i方向的动量源项；

$μ$ 为层流黏度；

$α$ 为介质渗透性；

$ν_{i}$ 为i向速度分量；

$C_{2}$ 为惯性阻力系数。

本研究基于雷诺平均的N-S方程组模型，考虑SCR系统内烟气流动属于三维湍流流动，故选用标准k-ε两方程涡黏性模型来模拟烟道内的湍流运动。流场计算根据有限体积法，利用Simple半隐方法求解压力耦合方程，各控制方程的离散格式采用二阶迎风。

2.2 评价方法

采用相对标准偏差系数

$C_{V}$ 来衡量首层催化剂速度分布的均匀性，计算公式^[15]如下：

$C_{V} = \frac{σ}{\bar{ν}}$

(3)

$σ = {[\frac{1}{n - 1} \sum_{i = 1}^{n} {(ν_{i} - \bar{ν})}^{2}]}^{1 / 2}$

(4)

$\bar{ν} = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} ν_{i}$

(5)

式中：

$ν_{i}$ 为测量截面某一点的速度；

$σ$ 为测定断面的标准偏差，即各点速度偏离该截面平均速度的程度；

$\bar{ν}$ 为测量断面的平均速度。通常要求第１层催化剂来流（其上游1 m处）的

$C_{V}$ 值小于15%才认定气流分布符合要求。该值越大，表明速度分布的均匀性越差。本研究通过截取Y=−49.5 m位置的平面并利用相关软件，导出该截面的样本点数据，计算

$C_{V}$ 值，对比不同方案的结果。

3 结果分析及优化

3.1 原始SCR系统流场分析

原始SCR反应器导流板布置位置分别为第２个拐角处、竖直烟道和水平烟道的转向处以及双变截面烟道的上方。具体布置形式及数量见图2。

图2 原始SCR系统导流板尺寸
Fig. 2 Original SCR system deflector size

图3（a）为SCR系统原始工况对称剖面的速度云图。烟气进入SCR反应器后，流动十分紊乱。由于第１弯头处未添加导流板，烟气靠自身的惯性作用，经倾斜段烟道到达第２弯头时造成右上侧出现高速区。在双变截面烟道处，其X方向左侧烟道倾斜角度较大，偏离Y轴正向近30°，当烟气流过导流板组3时，因布置方式不合理不能很好地抑制烟气向右流动的惯性，烟气无法沿左侧壁面的倾斜方向流动，使得左侧较大范围形成流动死区产生漩涡，致使催化剂上游速度偏斜严重，左侧区域入口烟气流向与竖直方向夹角较大。

图3（b）为原始SCR系统Y=−49.5位置处的速度云图，可以看出该截面速度分布表现为中间高两侧低的特点，高速区域的速度近10 m·s⁻¹，使得该区域的烟气停留时间减少，脱硝反应不完全，脱硝效率降低，氨逃逸增加。另外，烟气流速过大会增加对催化剂骨架的冲刷，加剧催化剂的磨损，影响催化剂的运行寿命。因此，需要调整原始SCR反应器内的导流叶片，对其布置方案进行优化设计。

图3 原始SCR系统速度分布
Fig. 3 Original SCR system velocity distribution

3.2 SCR流场优化

3.2.1 不改变烟道结构的优化

根据上面对原始SCR反应器流场的分析，在第１转弯处增添导流板组4，布置方式与第２处拐角相同，均采用7块弧-直型导流板，且等间距布置。同时将２个直角拐角处的烟道壁面改为圆弧过渡转角以避免死区形成，如图4所示。导流板组2保持不变，优化设计主要针对导流板组3，因其直接影响烟气如何流经整个双变截面烟道到达催化剂首层。如图5所示，研究过程主要是通过改变α和β的角度，然后做不同半径的圆角，并通过确定导流板数量，利用圆弧型导流板的向心力作用引导烟气向左流动，来抑制左侧回流区的产生，导流板形式也采用弧-直型。由于模拟工况较多，只列出每种导流板数量下最好的设计方案进行比较，具体布置方式及模拟结果见表3和图6。

图4 导流板组1和4尺寸
Fig. 4 Size of deflectors 1 and 4

图5 导流板3优化方案
Fig. 5 Optimization of deflector 3

表3 导流板优化方案
Table 3 Optimization of deflector

表3 导流板优化方案
**Table 3** Optimization of deflector
方案	导流板数目/块	α/（°）	β/（°）	速度偏差C_V/%
1	4	12~0	30~45	18.68
2	5	12~0	40~60	19.44
3	6	12~2	35~60	20.34
4	7	14~2	30~-60	21.82

图6 优化后的系统速度分布
Fig. 6 Optimized system velocity distribution

从上述结果可以看出，催化剂首层截面的速度分布未得到很好的改善，速度偏差系数仍不能满足技术要求，烟气流经导流板后虽然靠向心力作用向左侧流动，但由于整个区域Y方向高度差偏大，近16.5 m。左下侧仍有边界层脱离的现象，回流区没有根本消除。故需要对SCR系统的烟道结构也进行一定改造。

3.2.2 改变烟道结果的优化

改变烟道结构后的SCR系统如图7所示，反应器入口和整个催化剂层及下方烟道位置保持不变，延长第１拐角后的倾斜烟道，将双变截面烟道拆分为X方向和Z方向的２个单方向的变截面烟道。在此基础上进行导流板的优化设计。改造后系统的导流板组1布置方式保持不变，依然采用7块弧-直型导流板，由于拐角2下方的烟道经改造呈对称性布置，考虑其上方倾斜段烟道烟气有往X正向流动的惯性，对导流板组1稍作修改，将其下方直板段顺时针分别旋转一定角度，经多次模拟确定从左至右分别旋转5°、5°、5°、4°、4°、3°、3°。2个变截面烟道的导流板尺寸如图8和图9所示，Z方向的变截面烟道均匀布置13块长度为5 m的直板导流板，X方向的变截面烟道均匀布置 6块长度为8 m的直板导流板。

图7 优化后的SCR系统结构
Fig. 7 Optimized SCR system structure

图8 Z方向变截面导流板尺寸
Fig. 8 Z direction variable section deflector size

图9 X方向变截面导流板尺寸
Fig. 9 X direction variable section deflector size

图10为优化后的催化剂入口及反应器对称剖面的速度云图，可以看出，改变烟道结构后的整个反应器的流场十分均匀，消除了死区和回流区，而且不存在边界层脱离的现象，使得到达首层催化剂的速度均匀性得到很大提高。经统计计算，速度相对标准偏差系数

$C_{V}$ 降至3.05%，满足技术指标要求。

图10 优化烟道结构后系统速度分布
Fig. 10 Velocity distribution after optimize flue structure

4 结论

1）通过对原始设计方案进行研究，发现原厂设计方案尚有改进之处。反复优化原始SCR结构双变截面烟道处的导流板发现，受烟道结构尺寸的影响，该区域Y向高度差偏大，虽然不能从根本上消除回流区使首层速度分布均匀性得到很好的改善，但在一定程度上能引导烟气靠向心力作用沿左侧壁面倾斜方向流动，为处理类似变截面烟道结构的流场优化问题提供依据。

2）改变烟道结构后的优化设计使得SCR反应器速度场分布更加均匀，整个烟道内不再有涡流，第１层催化剂来流速度分布相对标准偏差降至3.05%，优化效果显著，便于脱硝反应的进行。

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