基于CFD方法的SCR系统多孔板优化布置研究

张巍　刘国富　沈德魁　肖睿

摘 要：该文以某工业锅炉SCR系统为研究对象，基于CFD数值模拟方法系统研究了不同压力损失多孔板对改善SCR系统首层催化剂入口截面流场及浓度场均匀分布特性的作用规律。数值计算结果表明，随着多孔板压损的增加，首层催化剂入口截面的速度偏差呈现稳步下降的趋势，浓度偏差呈现出首先急剧下降，随后略微上升的变化趋势。同时考虑到系统压损增加等因素，该文分析认为100 Pa为多孔板优化布置的最佳压力损失，优化前后首层催化剂入口截面速度偏差降低约4.57%，浓度偏差显著降低约23.74%。

關键词：SCR系统 多孔板 数值模拟 优化布置

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）05（b）-0048-03

氮氧化物（NOx）是一种重要的大气污染物，它们不仅会污染空气诱发人类呼吸系统疾病、产生光化学烟雾威胁人类生命，而且还是造成酸雨、臭氧层空洞的重要原因[1]。据统计，全国废气中氮氧化物排放总量约为2 227.4万t，工业氮氧化物排放量达到了1 545.6万t，约占排放总量的69.39%[2]，而其中燃煤电厂和工业锅炉排放的氮氧化物量占据了95%以上，因此控制燃煤锅炉的NOx排放量具有重要的意义[3]。

选择性催化还原脱硝（SCR）技术具有脱硝效率高、装置简单、便于维护等优点[4]，在国内外应用较为广泛，已成为烟气脱硝的主流技术，保证均匀的烟气流场分布及良好的氨氮混合比是SCR系统稳定运行的关键[5]。随着计算流体力学（CFD）技术的不断进步，国外很多SCR系统研究者都在反应器设计工作中运用CFD技术对反应器进行优化设计。王为术等[6]基于FLUENT对600 MW燃煤锅炉SCR系统的导流优化设计进行了数值模拟研究，研究结果表明导流板的优化布置确实可以显著改善系统内的速度及浓度偏差；Lei等[7]基于CFD技术建立了整体式蜂窝催化剂的全尺寸物理模型，并得到了最佳的催化剂层布置间距；Gao等基于CFD技术对某600 MW机组SCR系统进行了研究，分析认为导流板及静态混合器的布置可以显著提升系统脱硝性能，计算所得速度及浓度偏差符合工程要求。

该文以某工业锅炉为研究对象，基于CFD数值模拟方法系统研究了多孔板优化布置对于改善系统内流场及浓度场分布特性的作用规律，为SCR系统的结构优化设计提供了技术参考。

1 物理模型与计算条件

1.1 物理模型

该文建立了某SCR系统三维全尺寸几何模型，如图1所示，采用四（六）面体网格对其进行网格划分，考虑到喷嘴尺寸相对较小，为了精确考察喷嘴喷射情况，该文将喷嘴出口段的烟道网格进行了加密，最终所划分网格总数约为410万。

1.2 数值计算条件

根据该工程的实际运行环境，在满足工程要求条件下，为便于CFD模拟计算，对该SCR系统内烟气状况及计算参数做一系列简化，如将烟气视为不可压缩牛顿流体等。数值计算时，采用k-ε模型模拟气体湍流流动，采用物质输运模型模拟多种物质的混合，采用多孔介质模型模拟多孔板、凝渣管束、旗式受热面、催化剂层压等，以产生等效压降。计算入口采用速度入口边界条件，核算计算烟气量为231 700 Nm3/h，入口烟气温度为623 K；计算出口采用压力出口边界条件；固体壁面、导流板和整流格栅等处的壁面均设为Wall；喷氨入口为速度入口，温度为300 K。此外，将烟气简化为N2、NO、SO2、H2O、O2的混合物，将氨空混合气简化为N2、O2及NH3的混合物，其具体取值根据现场运行条件获得。

为评价SCR系统的设计性能，该文采用标准偏差百分量的概念对速度及浓度场分布特性进行表征，其计算方法如下：

其中：；。

基于上述条件，该文分别设计了无多孔板优化布置、100 Pa多孔板优化布置及200 Pa多孔板优化布置3类数值试验工况，综合研究多孔板优化布置对于改善SCR系统流场及浓度场分布的作用规律。

2 结果分析与讨论

2.1 无多孔板布置CFD数值模拟研究

图2为无多孔板优化布置满负荷条件下SCR系统首层催化剂入口截面的速度及浓度分布特性。数值计算结果表明，该设计工况下此截面内的速度偏差Cv约为32.1%，浓度偏差Cv约为45.18%。由此可以看出，该SCR系统内无多孔板布置时，首层催化剂入口截面的速度、浓度分布均匀性较差，难以满足工程技术要求。

2.2 压损100 Pa多孔板优化布置CFD数值模拟研究

图3为100 Pa多孔板优化布置满负荷条件下SCR系统首层催化剂入口截面的速度及浓度分布特性。

通过图3可以看出，该设计工况下此截面内的速度偏差Cv约为30.07%，浓度偏差Cv约为20.48%。由此该文认为压损100 Pa多孔板的优化布置可显著改善系统内的浓度分布特性，优化前后浓度偏差Cv大幅降低约24.7%，这对于改善SCR系统的浓度场均匀性效果显著。此外，压损100 Pa多孔板的优化布置对于流场均匀性也有一定的改善作用。

2.3 压损200 Pa多孔板优化布置CFD数值模拟研究

为进一步研究不同压损多孔板对改善SCR系统流场及浓度场分布特性能力的优劣，该文设计了压损200 Pa多孔板优化布置工况。图4为200 Pa多孔板优化布置满负荷条件下SCR系统首层催化剂入口截面的速度及浓度分布特性。

由图4可以看出，压损200 Pa多孔板优化布置工况满负荷工况下，首层催化剂入口截面内的速度偏差Cv约为27.53%，浓度偏差Cv约为21.44%。对比于100 Pa多孔板优化布置满负荷工况，其速度偏差略有降低，浓度偏差略有升高，这说明增加多孔板压降损失对于改善SCR系统流场分布均匀性有一定效果，但多孔板压降的增加不利于浓度场的分布均匀性。

2.4 CFD数值模拟结果对比讨论

综合上述数值模拟结果，该文得到了多孔板优化布置对改善SCR系统流场及浓度场分布特性的作用规律，如图5所示。

通过图5可以看出，随着多孔板压降损失的增加，SCR系统首层催化剂入口截面的浓度偏差首先急剧下降，随后略微上升，当多孔板压损超过约100 Pa时，进一步增加多孔板压降对改善浓度场均匀性的能力不佳，甚至不利于浓度场的均匀性分布；同时，随着多孔板压损的增加，该截面内的速度偏差呈现稳步下降的趋势，但速度偏差下降的程度相对较小。值得注意的是，随着多孔板压损的增加，会造成SCR系统整体压降的增加，这直接会导致增加风机能耗，不利于锅炉的经济运行。因此，综合速度、浓度偏差及压损增加等多方面考虑，该文认为当多孔板压损约为100 Pa时，既可保证系统内速度及浓度偏差在合适的范围之内，又可避免系统压降增加过大，100 Pa是最佳的多孔板优化布置压力损失。

3 结论

（1）SCR系统内多孔板的优化布置可以改善系统内流场及浓度场的均匀分布特性，随着多孔板压损的增加，首层催化剂入口截面的速度偏差呈现稳步下降的趋势，浓度偏差呈现出首先急剧下降，随后略微上升的变化趋势。

（2）100 Pa为SCR系统内多孔板优化布置的最佳压力损失，既可以保证SCR系统内速度及浓度偏差在合适的范围之内，又可避免系统压降增加过大，可保证SCR系统的高效、经济运行。

参考文献

[1] 毛剑宏.大型电站锅炉SCR烟气脱硝系统关键技术研究[D].杭州：浙江大学能源工程学系，2011.

[2] 中华人民共和国环境保护部.环境统计年报[M].北京：中国环境出版社，2013.

[3] 生明亮，原永濤，刘凤，等.燃煤锅炉污染物排放对雾霾产生的影响以及治理措施[J].山东化工，2015，44（1）：145-147.

[4] 西安热工研究院.火电厂SCR烟气脱硝技术[M].北京： 中国电力出版社，2013：13-19.

[5] 雷达，金保升.氨氮比不均匀性对电站SCR系统脱硝效率的影响[J].锅炉技术，2010，41（6）：72-74.

[6] 王为术，上官闪闪，路统，等.600MW燃煤锅炉SCR系统烟道导流板设计[J].郑州大学学报：工学版，2015， 36（4）：37-40.