楼宇型分布式能源系统SCR脱硝数值模拟研究

2019-04-09江婷胡永锋宋洪涛李建标沈建永徐静静张爱平

综合智慧能源 2019年3期

江婷，胡永锋，宋洪涛，李建标，沈建永，徐静静，张爱平

(1．中国华电科工集团有限公司，北京 100070;2．国家能源分布式能源技术研发中心，北京 100070)

0 引言

随着我国经济的发展，传统的能源利用结构不合理问题及生态环境问题日益突出，因此，亟待提高能源利用效率和保证能源利用的安全性。天然气分布式能源利用系统由于具有高效、节能、环保［1－3］等特点而被大力推广应用，随着国家相继出台一系列建设天然气分布式能源项目利好政策，各地纷纷开展分布式能源站的建设。目前，天然气分布式能源系统主要分为区域型和楼宇型，主机分别采用燃气轮机和内燃机。楼宇型天然气分布式能源系统采用内燃机，其燃烧过程中会产生大量氮氧化物［4－5］，以北京市某一楼宇型分布式能源系统为例，其内燃机的氮氧化物排放质量浓度通常达500 mg/m3以上，根据DB 11/1056—2013《固定式内燃机大气污染物排放标准》要求，内燃机氮氧化物排放质量浓度应低于75mg/m3，如果不进行脱硝处理，无法满足日益严格的环保排放要求。

与传统的火电厂脱硝方式不同，楼宇型分布式能源系统结构紧凑，要求脱硝系统的布局和系统流程紧凑，而选择性催化还原(SCR)脱硝法的脱硝效率与烟气和还原剂的混合长度、混合均匀性有直接关联，因此需要深入把握楼宇式分布式能源站SCR脱硝装置内部流动规律，并开展数值模拟研究。侯建鹏［6］以环境科学研究所大气环境污染控制实验室现有的SCR脱硝中的试验装置为原形，进行烟气脱硝系统数值模拟研究，经过多组模型调整，最终确定了多向导流片的布置方式，其流场均布情况可满足工况要求，但其模拟结果缺少试验数据的验证。韩发年等［7］研究了SCR烟气脱硝工艺喷氨混合装置，指出简易、高能和稳定的静态混合结构可降低建设和运行成本，提高操作弹性。Streiff等［8］发明了一种兼有偏转和旋流的导流板型混合装置，导流板夹角和扭曲度的优化可降低阻降，缩短混合距离。潘伶等［9］对SCR脱硝反应器烟道内部流场进行数值模拟与优化，得出导流板可以改善烟道内气流分布，整流器对改善气流流动、避免涡流具有重要作用且对压降影响较小的结论。这些文献大多数采用数值模拟的方式对烟道流场或混合器进行了研究，很少根据工程实例进行模拟，大部分都是基于传统火电厂脱硝而言的，结构要求较为宽松。而目前针对楼宇型天然气分布式能源系统脱硝的研究在国内少有开展，尚处于摸索尝试阶段，因此，需要开展深入的课题研究。

1 系统概况

本文以北京市某楼宇型分布式能源项目工程为例，针对其结构进行SCR脱硝系统布置，并根据模拟结果提出改造措施，以满足环保要求，达到理想脱硝效果。拟建的SCR脱硝装置结构如图1所示，脱硝装置自内燃机排烟口位置开始，经管道与混合器及反应器相连接，最后接入烟气热水型溴化锂吸收式制冷系统。借鉴火电厂脱硝装置的研究经验，需要保证脱硝反应器中催化剂入口截面位置气流流速与反应物组分分布的均匀性，这也是烟气脱硝高效率的保证。因此，本研究不直接模拟氮氧化物与氨气在催化剂作用下的化学反应，而是将研究重点放在混合器及反应器的结构改进上，探讨引入导流板、整流栅及气流均布板等后对流场分布的影响规律。

2 数值计算

SCR脱硝系统内的流动是复杂的三维非稳态流动，流动过程涉及气－液两相流动、湍流流动、传热传质、多组分输运及化学反应等过程。为便于模拟，需对复杂的流动过程进行适当简化并确保本研究中流场基本规律的真实性，忽略化学反应过程。本文取反应过程中某一准静态瞬间，将系统内的流动视为三维黏性不可压缩定常湍流流动，将烟气组分视为空气与氮氧化物的混合物，氨气入口为一定比例氨气与空气组成的混合气体，将喷氨栅格简化为9个圆形入口，均匀分布于混合器截面内，并保证质量流量不变。

2．1 数学模型及控制方程

图1 某分布式能源站SCR脱硝装置几何模型Fig．1 Geometric model of a distributed energy station SCR denitration device

简化后的稳态流动过程可以采用适当的数学模型进行描述，主要包括连续方程、动量方程、能量方程以及组分输运方程。由于流动过程为复杂的湍流流动，采用标准k－ε双方程模型封闭雷诺时均(RANS)方程组。

连续性方程

动量方程

能量方程

组分输运方程

式中:ui，uj为速度张量;xi，xj为坐标张量;μ 为动力黏度;ρ为密度;p为压力;Fi为体积力源项;T为温度;k0为流体传热系数;cp为比定压热容;ST为流体黏性耗散项;Φ为组分质量分数;ΓΦ为广义扩散系数;SΦ为广义源项。

标准的k－ε双方程模型是个半经验半理论公式，是在理论推导的基础上通过总结试验结果而得出的，适用范围广、计算量小，精度上能较好地满足一般工程要求，在许多工业流场和热交换模拟中得到了成功的应用，其输运方程为

式中:μt为湍流黏度;k为湍动能;ε为湍动能耗散率;其余参数参考文献［10］。

2．2 边界条件

边界条件及离散格式影响数值结果的准确性及精度，因此，要合理给定边界条件并选取适当的离散格式。

(1)采用分离式求解器对时均纳维－斯托克斯(N－S)方程组进行稳态数值计算。采用SIMPLEC算法对压力和速度进行耦合求解，该算法采取对压力与速度同步修正的方式来提高计算的收敛速度。

(2)选取标准k－ε出流条件、无滑移壁面条件及绝热条件。

(3)进口边界条件选取速度进口，认为速度在进口断面上均匀分布且沿断面法线方向指向流体内部，速度根据流量计算得到，具体数值见表1;出口给定自由出流;壁面条件给定无滑移边界条件且绝热;催化剂层采用多孔跳跃模型，给定厚度及压降系数。

表1 进口模拟参数Tab．1 Simulation parameters at inlet

(4)使用压力插补(PRESTO)格式对压力项进行空间离散，对流项与扩散项分别采用二阶迎风格式。采用二阶迎风格式对湍动能及湍流耗散率进行空间离散。数值计算的收敛精度给定为10－4，同时监测系统进出口断面质量流量与催化剂层速度及组分分布的不均匀度等数据，直到其数值稳定方可判断收敛。

进行湍流数值计算时还需给定进口速度的湍流边界，选用湍动度与水力直径模式，其中水力直径与进口管直径保持一致，而湍动度计算公式为

式中:I为进口位置的湍动度;Re为进口断面的平均雷诺数。

2．3 网格划分

网格生成采用Meshing软件来处理，考虑SCR脱硝系统结构的复杂性，全局采用非结构化网格生成;同时，为满足标准壁面函数对y+的要求，在结构相对复杂、流场梯度变化较大的区域及壁面附近区域采用网格加密技术。图2为脱硝系统装置的网格划分图，网格数量为1920000，其中A，B，C，D分别代表了管道连接处弯道的导流板、反应器进口位置突扩结构内的气流均布板、方形整流栅与圆形整流栅，整流栅的开孔率为30% ～35%。

3 结果与讨论

对该SCR脱硝装置内流场分布规律的数值研究主要包括3个阶段:第1阶段(方案1):模拟特定工况下烟气与氨气在系统内的流动规律，系统中不包括任何导流板、整流栅及气流均布板等结构;第2阶段(方案2):通过引入导流板及整流栅结构来改善脱硝装置内的流场分布;第3阶段(方案3):引入气流均布板进一步改善反应器内流场的均匀性。具体模拟方案见表2。

图2 脱硝系统网格划分Fig．2 Meshing of a denitration system

表2 数值模拟方案Tab．2 Numerical simulation scheme

采用相对均方根(RMS)法来评价流场中气流分布的均匀性，其判定公式为

σ＜0．25时气流分布为合格，σ ＜0．20时气流分布为良好，σ＜0．15时气流分布为优秀。

为方便结果的分析与讨论，图3给出了脱硝装置中不同截面的位置，其中截面Sx代表进气烟道沿x方向的中间截面，截面Sy代表混合器与反应器沿y方向的中间截面，而Sp1截面与Sp2截面则是反应器中第1层催化剂与第2层催化剂所在位置。

图3 不同截面位置示意Fig．3 Positions of different cross sections

3．1 3种方案下内流场对比分析

为有效对比改进方案下SCR脱硝装置内流场的分布情况，图4～图6分别给出了不同改进方案下Sy截面内速度、NO质量分数及温度分布的对比云图。为便于观察，所有结果均在同一标尺下给定，保证了云图中颜色的一致性。

图4 不同方案下Sy截面处速度分布对比Fig．4 Comparison of velocity distribution at cross section Syunder different schemes

图5 不同方案下Sy截面处NO分布对比Fig．5 Comparison of NO distribution at cross section Syunder different schemes

图6 不同方案下Sy截面处温度分布对比Fig．6 Comparison of temperature distribution at cross section Syunder different schemes

从图中可以看出:相比于方案1，加装导流板和整流栅可有效改善脱硝装置内的流场分布，流场内的速度场变得更加均匀，流体经过弯道后的流动分离现象被显著弱化;同时，混合器与反应器内整流栅的引入促进了烟气与氨气的掺混，使得混合器及反应器内NO分布更加均匀，温度场分布也更加均匀。相比于方案2，方案3引入了气流均布板，显著改善了反应器内流场分布，经过气流均布板的流体速度变得更加均匀，改善了NO组分分布及温度分布规律，使其在反应器外侧不均匀分布现象显著削弱。因此，通过引入导流板与整流栅装置可有效改善脱硝装置内的流场分布，保证了反应器内化学反应的有效进行。

3．2 不同方案不均匀性统计分析

对于SCR脱硝系统，真正决定其脱硝效率的是反应器内氮氧化物与氨气进行化学反应的速率与程度，化学反应进行得越强烈，脱硝越彻底。因而，反应器内催化剂层的流场分布显得尤为重要，催化剂层入口处的速度分布、反应物组分分布及温度分布决定了化学反应的速率。图7～图9给出了不同方案下第1层催化剂入口截面Sp1处的速度分布及反应物的组分分布云图。

从图中可以看出，导流板及整流栅的加入改善了Sp1截面处的流场分布，且气流均布板的引入进一步强化了该截面处流场分布的均匀性。从速度分布云图可以看出，相比于方案1，方案2内局部高速流动区域消失，流场呈现圆环状分布，直到方案3出现了较规则的圆环形状，且边角位置的速度分布更加均匀，平均速度仅为1．63 m/s。从反应物的组分分布云图可以看出，改进后的方案中，NO与NH3质量分数分布局部较高与较低区域都在大幅度减小，且整体上分布较均匀。相同的结果从表3、表4中可以得到较明显的反馈:Sp1截面内平均速度从3．18 m/s降至1．63m/s，速度不均匀系数从28．39%减小到20．81%，气流分布合格。从温度及组分分布的结果看，加装气流均布板后，温度、NO质量分数及NH3质量分数的不均匀系数出现明显下降，方案3中其不均匀分布系数分别为 1．30%，3．65%，5．25%。类似的规律从表4的数据中亦可得到证实，虽然本次模拟并不参与化学反应，但Sp2截面内流场的不均匀系数也能一定程度上反映该层内化学反应的程度。

图7 不同方案下Sp1截面处速度分布对比Fig．7 Comparison of velocity distribution at cross section Sp1under different schemes

图8 不同方案下Sp1截面处NO分布对比Fig．8 Comparison of NO distribution at cross section Sp1under different schemes

图9 不同方案下Sp1截面处NH3分布对比Fig．9 Comparison of NH3distribution at cross section Sp1under different schemes

表3 Sp1截面不同参数的不均匀度Tab．3 Nonuniformity of different parameters of cross section Sp1

表4 Sp2截面不同参数的不均匀度Tab．4 Nonuniformity of different parameters of cross section Sp2

续表

本研究对燃气分布式SCR脱硝装置进行改进，引入了导流板、整流器及气流均布器，虽然改善了系统内的流场分布，使得流场内尤其是反应器催化剂入口截面内的速度分布及反应物组分分布得到明显改善，但数值结果表明，速度不均匀系数为合格，距离优秀仍有较大的改进空间，需要对各装置进行深入优化研究，方能保证较高的脱硝效率。