SCR脱硝装置大颗粒灰拦截网压降特性

孟 磊，雷 彧，陈 晟，刘小伟，岳朴杰，谷小兵

(1.大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097；2.华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074)

0 引 言

选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术是我国当前燃煤锅炉最主要脱硝手段[1-3]。我国燃煤锅炉的SCR脱硝装置几乎全为无烟气旁路的高尘布置[4]，烟气中颗粒会导致催化剂磨损和堵塞。堵塞严重不仅会大幅降低装置脱硝性能，甚至会导致主机非计划停机[5]。其中，烟气中尺寸大于催化剂通道的大颗粒灰是引起堵塞的重要原因[6-9]。目前国内外针对SCR装置前的大颗粒灰防治技术可大致分为2类：① 对省煤器灰斗进行改造，通过增设挡板、导流板、扩容等方式调整流场结构[10-12]，利用惯性将大颗粒灰从烟气中分离出来[13]；② 加装大颗粒灰拦截网，在合适位置安装带孔拦截网，保证烟气通过的情况下分离出大颗粒灰[14-16]。相比于前者，加装拦截网技术具有对流场设计要求低、捕集效率高、改造与安装方便等优点。目前，大颗粒灰拦截装置已在国内百万机组选择性催化还原脱硝系统上成功应用[17]。然而，目前拦截网的设计依赖于试验测量与工程经验，缺少通用设计准则与理论依据，对于拦截网开孔形状、烟气流速、开孔率以及拦截网厚度等参数对拦截效率以及压降的影响认识尚不深入。

针对上述问题，金理鹏等[18]研究了拦截网开孔形状、外形结构与安装位置对拦灰效率和系统阻力的影响，发现拦截网压降与开孔率的3次方成反比，同时对比了屋脊式和平板式拦截网，发现二者阻力、拦灰效果基本相同。陈鸿伟等[19]通过冷态试验发现长条形孔型的拦截网性能优于正方形开孔的拦截网，拦截网引起的压降为140～160 Pa,大颗粒灰拦截效率可达92.2%，发现拦截网安装角度与长度均会影响压降。上述试验进一步验证了大颗粒灰拦截技术的可行性，但实际工程中对于拦截网压降的要求较高，可接受的压降范围通常在150 Pa以内，在保证拦截效果的前提下应使压降尽可能小。目前，试验中拦截网引起的压降仍较大，存在优化空间。此外，试验手段难以对拦截网孔型、安装位置、角度以及长度等参数同时全面测量从而找到最优参数。相比之下，计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)能够便捷地改变设计参数进行扫描计算，从而获得拦截网最优设计方案。

由于拦截网网孔尺远小于烟道尺寸，CFD计算建模长度尺度跨度大，因此常采用多孔介质对拦截网进行等效模拟，基于拦截网孔隙率和渗透率等宏观参数即可等效求解出流场经过拦截网的压力损失。已有研究采用CFD方法模拟了拦截网安装在省煤器灰斗上方时的流场分布[16]，对拦截网单元和SCR系统整体流场分别进行了模拟，获得流场分布、压降信息[17]以及大颗粒灰运动轨迹[20]。其中渗透率表示多孔介质允许流体通过空隙流动能力的强弱，其大小与孔隙率、流体渗透方向上空隙的几何形状、颗粒大小以及排列方向等因素有关。等效多孔介质渗透率的准确估计对提升整体设备流场解的精确度具有重要意义，但并未对渗透率设置依据进行详细探讨。笔者通过CFD方法，利用Ansys Fluent仿真软件对网孔尺度流场进行求解，探究拦截网开孔形状、烟气流速、开孔率以及拦截网厚度等参数对拦截网压降的影响，进一步推导了达西定律下等效多孔介质渗透率的关联公式，对于SCR系统整体CFD模拟以及拦截网选型设计具有重要意义。

1 研究方法

1.1 CFD计算模型

研究选取了3种最常见开孔形状的拦截网作为研究对象：长条形、正六边形和正方形拦截网。由于SCR催化剂通道的孔径尺寸限制，粒径大于4 mm的大颗粒灰即可造成催化剂床层堵塞[14]。为衡量拦截网对不同粒径大颗粒灰的拦截效果，将拦截网可拦截的最小颗粒尺寸定义为“临界尺寸”。不同开孔形状拦截网的临界尺寸如图1(a)所示，其中a为临界尺寸，x为相邻网孔间的距离，λ为长条形网孔的长宽比，六边形、正方形的临界尺寸为其开孔的内接圆直径，长条形的临界尺寸为其开孔宽度，当3者的临界尺寸一致，即可认为3者拦截效果一致。利用Ansys Fluent仿真软件按照1∶1比例建立了拦截网局部网孔的三维模型，以长条形拦截网为例(图1(b))，计算区域为网孔单位附近一个长方体区域，左侧为烟气入口，右侧为压力出口，具体参数见表1，其余边界均设置为周期性边界条件。模拟采用有限元分析法进行计算，在网格划分时对拦截网单元附近等小尺度空间结构进行了网格加密处理，网格总数约200万个。

图1 拦截网局部CFD计算模型Fig.1 Pore-scale CFD model of interceptor

表1 模拟工况参数条件Table 1 Physical parameters for the simulations

1.2 控制方程

根据实际情况对模型做出如下简化：来流烟气为不可压缩牛顿流体；烟气在入口边界处均匀分布且完全垂直于入口截面；烟气之间的不同组分不发生化学反应，物性参数为常数。流体的控制方程包括连续性方程与动量方程，表达式为

ρ▽u=0，

(1)

ρ(u▽)u=▽(-pI+K)+F。

(2)

其中，ρ为流体密度，kg/m3；u为流体的速度矢量，m/s；p为微元流体上的压强，Pa；I为单位矩阵；F为单位体积流体所受外力，N，本文只考虑流体所受重力，故F=ρg，g为重力加速度，m/s2；K为黏性应力，Pa，其表达式为

K=(μ+μT)(▽u+(▽u)T)。

(3)

其中，μ为流体动力学黏度，Pa·s；μT为湍流黏度，Pa·s，其表达式为

(4)

其中，Cμ为模型常数；k为湍动能，J；ε为湍动能耗散率。烟气的流动状态为湍流，研究选取典型的k-ε模型对其进行模拟。

2 结果与讨论

入口气流速度为15.5 m/s时，3种不同开孔形状拦截网的速度分布与表观压力分布的截面图如图2所示，可知网孔后侧存在高速区域，实体结构后侧则存在一个低速区域。流场不均匀性在拦截网后侧较短区域内逐渐衰减，最终流场变得均匀。不同开孔形状的拦截网后侧流场结构相似，可以推断不同孔型拦截网对于烟气整体流场影响规律接近。气流表压在拦截网前后产生明显变化，在其他区域几乎没有变化。因此，计算域入口和出口的压力差可以定义为拦截网压降，后续对不同条件下的压降规律进行详细分析。

图2 不同形状拦截网速度与压力分布云图Fig.2 Velocity and pressure distribution of interceptor with different pore structures

2.1 开孔形状对压降的影响

3种拦截网在典型烟气流速下的压降情况见表2，其中流速大小5.1、15.5、19.6 m/s分别对应国内某600 MW燃煤锅炉满负荷工况下省煤器灰斗上方、水平缓流烟道、竖直烟道截面的平均流速。可知在最小拦截粒径(即临界尺寸)均为5 mm的条件下，压降最大的是正方形拦截网，其次为正六边形拦截网，压降最小的是长条形拦截网。对比文献[13]试验结果，开孔率为48.5%～61.0%的平板式拦截网安装在竖直烟道时(对应本文流速19.6 m/s的工况)，试验压降在169～414 Pa，二者在开孔率接近的工况点数据较为吻合，验证了模拟结果的可靠性。不同开孔形状拦截网在不同入口流速时的压降变化如图3所示，可知3种拦截网压降均随入口流速增大而增大，且在本文研究流速范围内，仍符合长条形拦截网的压降最小、正六边形其次、正方形压降最大这一规律，且随着流速增大3者差别越明显。

表2 典型流速下3种拦截网的压降Table 2 Pressure drops of interceptors at typical flow velocities

图3 不同开孔形状拦截网压降与流速的关系Fig.3 Relationship between pressure drop and flow velocity of interceptor with different pore structures

分析认为造成长条形拦截网压降小的原因是其开孔率较高。开孔率χ定义为网孔面积S0与拦截网总面积S的比值，是拦截网的重要设计参数，其表达式为

(5)

比较3种拦截网的开孔率(表1)可知，在相同拦截效果(即临界颗粒尺寸相同)前提下，长条形拦截网开孔率最高，其次是正六边形，正方形最小，这与拦截网压降规律一致。又由于长条形拦截网的开孔率与其长宽比相关，保持流速不变进一步模拟了不同长宽比(开孔率)下的长条形拦截网的压降情况见表3，证明长条形拦截网的压降随着长宽比(开孔率)增大而减小。

表3 长条形长宽比对开孔率及压降的影响Table 3 Influence of length-to-width ratio on porosity and pressure drop

结果表明，开孔率与烟气流速是影响压降的重要因素，开孔形状对压降的影响可能源自开孔率的变化，下文将对开孔率及烟气流速的影响进行定量描述。

2.2 开孔率和烟气流速对压降的影响

基于第2.1节结论，进一步探究开孔率对压降的影响。通过改变开孔孔径、相邻网孔的距离等方式改变拦截网的开孔率χ，模拟计算3种孔型拦截网在不同开孔率(通过改变临界尺寸实现)、不同流速下的压降情况，如图4所示。

图4 拦截网压降与开孔率的关系Fig.4 Relationship between interceptor pressure drop and porosity

使用幂函数对相同流速下的数据点进行拟合，具体为

ΔP=Cχβ,

(6)

式中，ΔP为压降，Pa；C为拟合系数，Pa；β为经验常数。

可知3个流速下的拟合曲线决定系数分别为0.994、0.998、0.992。同一流速下不同开孔形状的数据点均分布在同一条曲线附近，证明拦截网压降主要与开孔率相关，开孔率越高压降越小。在相同开孔率下，开孔形状对拦截网压降的影响几乎可以忽略。不同流速下的压降随开孔率变化规律类似，流速增加会使压降曲线上移。

根据以上结果，可以推断出实际拦截网设计时，在确保拦截效果前提下，尽量选取开孔率较高的孔型(即长条形)，同时应综合考虑结构强度、加工成本等因素后进行选型设计。

2.3 拦截网厚度对压降的影响

为探究拦截网厚度对其压降的影响，改变拦截网厚度n，计算入口流速5.1 m/s时3种孔型拦截网在不同开孔率下的压降情况，如图5所示(蓝色、橙色和红色代表厚度分别为6、12、18 mm)，曲线为n=6 mm的压降拟合曲线。由图5可知，随厚度增加，相同开孔率拦截网的压降均小幅增加。为了更清晰展示拦截网厚度的影响，选取开孔率为0.51的拦截网，绘制压降随厚度变化关系(图6)。可知随厚度增加，压降呈准线性增加。在实际工程应用中，受限于加工难度和结构强度等，拦截网厚度变化范围有限，与烟气流速和开孔率相比，拦截网厚度对压降影响较小。

图5 拦截网压降与厚度的关系Fig.5 Relationship between pressure drop and thickness of interceptor

图6 开孔率为0.51时，压降随厚度变化Fig.6 Change of pressure drop with thickness at the porosity of 0.51

2.4 压降及渗透率关联式

拦截网开孔率、厚度以及流速对拦截网压降的影响可用幂函数的形式来量化，因此将拦截网压降进行拟合：

ΔP=(An+B)uαχβ。

(7)

其中，u为拦截网区域烟气流速，m/s；A、B、α均为经验常数，A单位为Pa·sα·m-α-1，B单位为Pa·sα·m-α。对大量不同模拟工况下的数据点进行拟合，得到：

ΔP=(2.12n+0.24)u1.82χ-2.87。

(8)

可知式(8)的拟合决定系数为0.996，平均绝对百分比误差为3.4%，拟合效果良好。已有研究报道拦截网阻力与其开孔率的3次方成反比[13]，即ΔP∝χ-3，这与式(8)规律接近，验证了该拟合公式的可靠性。选取110个不同开孔形状、烟气流速、开孔率以及拦截网厚度组合工况，以模拟计算得到的压降为横坐标，以关联式(8)预测压降为纵坐标，将数据点绘制于图7，当数据点位于y=x实线上时，表明公式预测与模拟结果吻合。可知所有数据点均位于±10%误差范围内(图7虚线)，证明上述关联公式在流速5～20 m/s、拦截网开孔率40%～65%、厚度6～18 mm的工况下可以综合反映三者对压降的影响。

图7 压降公式预测值(式(8))与模拟结果值对比Fig.7 Prediction of pressure drop (Eq.(8))versus simulation results

对实际SCR系统进行CFD设计计算，通常采用多孔介质对拦截网进行等效模拟，即采用多孔介质代替具体的拦截网结构型式，基于拦截网开孔率和渗透率等宏观参数可以求解出流场经过拦截网的压力损失。渗透率kl的计算通常基于达西定律，具体为

(9)

其中，Q为单位时间渗流量，m3/s；L为渗流长度，m；A0为流体通过多孔介质的截面积，m2。该定律将流量、流体的物理性质及多孔介质的压力梯度相联系。将压降公式代入基于达西定律的渗透率定义式，得到等效多孔介质渗透率kl为

(10)

以上拟合公式为预测拦截网压降以及设备尺度CFD等效模拟提供基础，具有一定参考指导意义。

3 结 论

1)影响拦截网压降的主要因素为气流速度和拦截网开孔率。流速5～20 m/s、开孔率40%～65%时，拦截网压降约与烟气流速的2次方成正比，与开孔率的3次方成反比。

2)拦截网压降与开孔形状无明显关联，不同拦截网开孔形状对拦截网压降的影响主要通过开孔率变化实现。在确保拦截效果前提下，应尽量选取开孔率较高的孔型(如大长宽比的长条形)。

3)拦截网厚度为6～18 mm时，压降随厚度增加呈准线性增加，但受限于工程实际应用，拦截网厚度可变范围小，故其对压降的影响也较小。

4)基于模拟数据，给出了幂函数形式的压降预测公式，描述压降与开孔率、流速、厚度之间的关联，并进一步推导了拦截网等效多孔介质渗透率的经验表达式，为拦截网的选型设计及全尺度模拟计算提供理论依据。