SCR外置烟道折弯导流板下行程度的数值研究

王琦，李凯，王爱晨，詹晓艳，冯园中

（嘉兴新嘉爱斯热电有限公司，浙江 嘉兴 314016）

1 前言

氮氧化物统称NOx，是大气的主要污染物之一，不仅会生成酸雨破坏环境，而且会导致呼吸系统疾病，危害人体健康。因此，国家对NOx排放作出了严格的限制。为使NOx排放符合标准，电站锅炉广泛采用较为成熟的选择性催化还原（SCR）脱硝技术。然而在运行过程中，烟气中的飞灰会对SCR催化剂造成磨损与堵塞，影响SCR催化剂的活性与使用寿命。脱硝反应器堵塞后，还会引起烟气阻力的大幅升高，导致引风机电耗的上升。此外，脱硝效率下降时需增加氨的用量，从而致使氨逃逸增加，加剧下游设备的积灰堵塞。

为减轻飞灰颗粒对SCR催化剂的磨损与堵塞，设计了SCR外置烟道对烟气中的飞灰颗粒进行捕集分离。但是SCR外置烟道的增加，将加剧脱硝反应器入口流场的不均匀性。为改善脱硝反应器入口流场，增设了折弯导流板。然而，导流下行程度对流场改善效果存在较大影响。因此，本文将开展SCR外置烟道折角导流板下行程度的数值研究，以此获得导流板下行尺寸对流场均匀性的影响规律，为SCR外置烟气流场优化提供理论指导。

2 模型描述与数值方案

2.1 物理模型

用以捕集烟气中飞灰颗粒的SCR外置烟道结构如图1所示。其中，为改善脱硝反应器入口流场在烟道折弯处增设了3块导流板，将烟道折弯等分为4个子烟道。在SCR外置烟道内，烟气首先经过惯性分离弯头改变烟气流向。此时，烟气中的部分飞灰颗粒因惯性作用而无法跟随烟气的流动。偏离烟气轨迹的颗粒与烟道壁面碰撞而被捕集，捕集的飞灰可通过头处的排灰口排出。经过惯性除尘后的烟气进入烟道折弯再次改变流向，最后流经下行烟道内的脱硝反应器进行烟气脱硝。按照实际尺寸对SCR外置烟道进行建模，并以此作为数值计算区域。

图1 SCR外置烟道及其导流板示意图

根据锅炉DSC数据，SCR外置烟道出口烟气温度约300℃，其物理性质按标准烟气进行计算。因此，烟气密度为0.617kg/m3，烟气的粘度为2.82×10-5Pa·s。入口处的烟气流速为7m/s，烟气参数详见表1。脱硝反应器安装于烟道折弯出口下方3m处，因此导流板下行程度的取值范围选定为0.5m、1.0m以及1.5m。

2.2 数值模型与计算方法

烟气在SCR外置烟道内的流动过程采用ANSYS FLUENT 17.2进行稳态模拟。采用GAMBIT软件对图1所示的计算域进行网格划分，通过分块法划分了六面体网格。根据壁面函数选定y+值，并对数值结果进行了网格无关性验证。

选用标准k-ε湍流模型与标准壁面函数，计算湍流流动。忽略烟气流动过程中的热交换，烟气的密度与粘度如表1所示。烟气入口采用速度入口边界条件；出口采用压力出口边界条件。压力-速度耦合采用SIMPLE算法。除了k-ε湍流方程采用一阶迎风格式，其余控制方程的空间离散均采用二阶迎风格式。

表1 烟气参数与导流板下行长度

3 计算结果与分析

图2所示为脱硝反应器入口截面的速度云图。其中，（a）为无导流板时，脱硝反应器入口的流场分布。可以看到，入口截面外侧是烟气流动的高速区，中间区域流速最低，而入口截面外侧区域速度有所上升。截面上中心线的速度曲线反映了上述速度分布趋势，见图3。根据图3，入口截面上一半以上区域的烟气流速小于2m/s；而在入口截面外侧，烟气流速高达8m/s以上。原因在于，烟气经过烟道折弯后，在惯性作用下烟气向烟道外侧偏斜。因此，大量烟气集中于烟道外侧以高流速通过脱硝反应器入口截面。

图3 脱硝反应器入口截面中心线速度分布（无导流板）

为改善脱硝反应器入口流场的均匀性，增设了折弯导流板，见图1。当导流板下行深度为0.5m时，脱硝反应器入口截面的流场如图2（b）所示。由图可知，入口截面外侧烟气流速显著下降，但是截面内外侧仍呈现出明显流速分区现象。脱硝反应器入口流场的均匀性仍有待进一步提高。因此，增大导流板下行深度至1.0m，所得入口截面的流场分布如图2（c）所示。导流板下行深度增加后，其对烟气偏斜的阻挡作用增强，截面外侧流速进一步下降，内侧低流速区面积有所缩小。此时，脱硝反应器入口流场的均匀性得到了较好的改善。为探究导流板下行尺寸对流场均匀性的影响规律，继续增加导流板下行深度至1.5m，脱硝反应器入口流场变为图2（d）所示的分布情况。可以发现，导流板下行程度越大，对烟气的分流作用越强。图2（d）中，烟气流动的高速区和低速区进一步缩小；截面中间区域虽然仍有一定的速度分区现象，但是差值较小。图4中截面上中心线的速度曲线反映了上述流速变化趋势。截面外侧最大流速从无导流板时的8m/s下降到了4m/s。截面中间部分呈现为“M”型速度分区，但增幅较小，流场均匀性得到改善。

图2 脱硝反应器入口截面的速度云图

图4 脱硝反应器入口截面中心线速度分布（下行1.5 m)

采用速度不均匀系数Cv来表征流场分布的均匀程度，其定义方式如下：

图5展示了脱硝反应器入口截面在不同导流板下行长度时的速度不均匀系数。根据图5，无导流板时脱硝反应器入口的速度不均匀系数为139.0%，速度分布极为不均。因此，在进行SCR外置烟道改造后，必须增设导流板以此改善脱硝反应器入口流场的均匀性。当增设的导流板下行长度为0.5m时，脱硝反应器入口的速度不均匀系数降低至108.4%。虽然入口流场的均匀性有所改善，但速度分布仍不均匀。增大导流板下行长度至1.0m时，脱硝反应器入口的速度不均匀系数进一步降低至86.9%。此时，入口流场的均匀性得到了较好的改善。继续增大导流板下行长度至1.5m时，脱硝反应器入口的速度不均匀系数下降到84.0%。可以发现，导流板下行程度越大，对脱硝反应器入口流场均匀性的改善作用越强。所以在进行折弯导流板设计时，需要注意保障导流板有足够的下行程度。但是，导流板下行程度过大时，对脱硝反应器入口流场均匀性的提高作用减弱。因此，折弯导流板设计时，还应注意导流板下行程度的控制，避免导流板下行程度过大造成的浪费。

图5 不同导流板下行长度的速度不均匀系数

4 结语

通过数值模拟，研究了SCR外置烟道折角导流板下行程度对脱硝反应器入口流场均匀性的影响规律，所得结论如下：随着导流板下行程度的增大，脱硝反应器入口流场均匀性逐步提高。当导流板下行长度为1.5m时，脱硝反应器入口流场的速度不均匀系数从无导流板时的139.0%下降至84.0%，流场均匀性得到明显改善。然而，进一步增加导流板下行长度对入口流场的改善作用越弱。因此，折弯导流板的设计存在最佳下行长度，本文条件下的最佳值为1.0m。