張巍 劉國富 沈德魁 肖睿
摘 要:該文以某工業(yè)鍋爐SCR系統(tǒng)為研究對象,基于CFD數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了不同壓力損失多孔板對改善SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面流場及濃度場均勻分布特性的作用規(guī)律。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,隨著多孔板壓損的增加,首層催化劑入口截面的速度偏差呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢,濃度偏差呈現(xiàn)出首先急劇下降,隨后略微上升的變化趨勢。同時(shí)考慮到系統(tǒng)壓損增加等因素,該文分析認(rèn)為100 Pa為多孔板優(yōu)化布置的最佳壓力損失,優(yōu)化前后首層催化劑入口截面速度偏差降低約4.57%,濃度偏差顯著降低約23.74%。
關(guān)鍵詞:SCR系統(tǒng) 多孔板 數(shù)值模擬 優(yōu)化布置
中圖分類號:U464 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號:1674-098X(2016)05(b)-0048-03
氮氧化物(NOx)是一種重要的大氣污染物,它們不僅會(huì)污染空氣誘發(fā)人類呼吸系統(tǒng)疾病、產(chǎn)生光化學(xué)煙霧威脅人類生命,而且還是造成酸雨、臭氧層空洞的重要原因[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國廢氣中氮氧化物排放總量約為2 227.4萬t,工業(yè)氮氧化物排放量達(dá)到了1 545.6萬t,約占排放總量的69.39%[2],而其中燃煤電廠和工業(yè)鍋爐排放的氮氧化物量占據(jù)了95%以上,因此控制燃煤鍋爐的NOx排放量具有重要的意義[3]。
選擇性催化還原脫硝(SCR)技術(shù)具有脫硝效率高、裝置簡單、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[4],在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛,已成為煙氣脫硝的主流技術(shù),保證均勻的煙氣流場分布及良好的氨氮混合比是SCR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[5]。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的不斷進(jìn)步,國外很多SCR系統(tǒng)研究者都在反應(yīng)器設(shè)計(jì)工作中運(yùn)用CFD技術(shù)對反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。王為術(shù)等[6]基于FLUENT對600 MW燃煤鍋爐SCR系統(tǒng)的導(dǎo)流優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,研究結(jié)果表明導(dǎo)流板的優(yōu)化布置確實(shí)可以顯著改善系統(tǒng)內(nèi)的速度及濃度偏差;Lei等[7]基于CFD技術(shù)建立了整體式蜂窩催化劑的全尺寸物理模型,并得到了最佳的催化劑層布置間距;Gao等基于CFD技術(shù)對某600 MW機(jī)組SCR系統(tǒng)進(jìn)行了研究,分析認(rèn)為導(dǎo)流板及靜態(tài)混合器的布置可以顯著提升系統(tǒng)脫硝性能,計(jì)算所得速度及濃度偏差符合工程要求。
該文以某工業(yè)鍋爐為研究對象,基于CFD數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究了多孔板優(yōu)化布置對于改善系統(tǒng)內(nèi)流場及濃度場分布特性的作用規(guī)律,為SCR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。
1 物理模型與計(jì)算條件
1.1 物理模型
該文建立了某SCR系統(tǒng)三維全尺寸幾何模型,如圖1所示,采用四(六)面體網(wǎng)格對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,考慮到噴嘴尺寸相對較小,為了精確考察噴嘴噴射情況,該文將噴嘴出口段的煙道網(wǎng)格進(jìn)行了加密,最終所劃分網(wǎng)格總數(shù)約為410萬。
1.2 數(shù)值計(jì)算條件
根據(jù)該工程的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境,在滿足工程要求條件下,為便于CFD模擬計(jì)算,對該SCR系統(tǒng)內(nèi)煙氣狀況及計(jì)算參數(shù)做一系列簡化,如將煙氣視為不可壓縮牛頓流體等。數(shù)值計(jì)算時(shí),采用k-ε模型模擬氣體湍流流動(dòng),采用物質(zhì)輸運(yùn)模型模擬多種物質(zhì)的混合,采用多孔介質(zhì)模型模擬多孔板、凝渣管束、旗式受熱面、催化劑層壓等,以產(chǎn)生等效壓降。計(jì)算入口采用速度入口邊界條件,核算計(jì)算煙氣量為231 700 Nm3/h,入口煙氣溫度為623 K;計(jì)算出口采用壓力出口邊界條件;固體壁面、導(dǎo)流板和整流格柵等處的壁面均設(shè)為Wall;噴氨入口為速度入口,溫度為300 K。此外,將煙氣簡化為N2、NO、SO2、H2O、O2的混合物,將氨空混合氣簡化為N2、O2及NH3的混合物,其具體取值根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行條件獲得。
為評價(jià)SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能,該文采用標(biāo)準(zhǔn)偏差百分量的概念對速度及濃度場分布特性進(jìn)行表征,其計(jì)算方法如下:
其中:;。
基于上述條件,該文分別設(shè)計(jì)了無多孔板優(yōu)化布置、100 Pa多孔板優(yōu)化布置及200 Pa多孔板優(yōu)化布置3類數(shù)值試驗(yàn)工況,綜合研究多孔板優(yōu)化布置對于改善SCR系統(tǒng)流場及濃度場分布的作用規(guī)律。
2 結(jié)果分析與討論
2.1 無多孔板布置CFD數(shù)值模擬研究
圖2為無多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷條件下SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的速度及濃度分布特性。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)工況下此截面內(nèi)的速度偏差Cv約為32.1%,濃度偏差Cv約為45.18%。由此可以看出,該SCR系統(tǒng)內(nèi)無多孔板布置時(shí),首層催化劑入口截面的速度、濃度分布均勻性較差,難以滿足工程技術(shù)要求。
2.2 壓損100 Pa多孔板優(yōu)化布置CFD數(shù)值模擬研究
圖3為100 Pa多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷條件下SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的速度及濃度分布特性。
通過圖3可以看出,該設(shè)計(jì)工況下此截面內(nèi)的速度偏差Cv約為30.07%,濃度偏差Cv約為20.48%。由此該文認(rèn)為壓損100 Pa多孔板的優(yōu)化布置可顯著改善系統(tǒng)內(nèi)的濃度分布特性,優(yōu)化前后濃度偏差Cv大幅降低約24.7%,這對于改善SCR系統(tǒng)的濃度場均勻性效果顯著。此外,壓損100 Pa多孔板的優(yōu)化布置對于流場均勻性也有一定的改善作用。
2.3 壓損200 Pa多孔板優(yōu)化布置CFD數(shù)值模擬研究
為進(jìn)一步研究不同壓損多孔板對改善SCR系統(tǒng)流場及濃度場分布特性能力的優(yōu)劣,該文設(shè)計(jì)了壓損200 Pa多孔板優(yōu)化布置工況。圖4為200 Pa多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷條件下SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的速度及濃度分布特性。
由圖4可以看出,壓損200 Pa多孔板優(yōu)化布置工況滿負(fù)荷工況下,首層催化劑入口截面內(nèi)的速度偏差Cv約為27.53%,濃度偏差Cv約為21.44%。對比于100 Pa多孔板優(yōu)化布置滿負(fù)荷工況,其速度偏差略有降低,濃度偏差略有升高,這說明增加多孔板壓降損失對于改善SCR系統(tǒng)流場分布均勻性有一定效果,但多孔板壓降的增加不利于濃度場的分布均勻性。
2.4 CFD數(shù)值模擬結(jié)果對比討論
綜合上述數(shù)值模擬結(jié)果,該文得到了多孔板優(yōu)化布置對改善SCR系統(tǒng)流場及濃度場分布特性的作用規(guī)律,如圖5所示。
通過圖5可以看出,隨著多孔板壓降損失的增加,SCR系統(tǒng)首層催化劑入口截面的濃度偏差首先急劇下降,隨后略微上升,當(dāng)多孔板壓損超過約100 Pa時(shí),進(jìn)一步增加多孔板壓降對改善濃度場均勻性的能力不佳,甚至不利于濃度場的均勻性分布;同時(shí),隨著多孔板壓損的增加,該截面內(nèi)的速度偏差呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢,但速度偏差下降的程度相對較小。值得注意的是,隨著多孔板壓損的增加,會(huì)造成SCR系統(tǒng)整體壓降的增加,這直接會(huì)導(dǎo)致增加風(fēng)機(jī)能耗,不利于鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此,綜合速度、濃度偏差及壓損增加等多方面考慮,該文認(rèn)為當(dāng)多孔板壓損約為100 Pa時(shí),既可保證系統(tǒng)內(nèi)速度及濃度偏差在合適的范圍之內(nèi),又可避免系統(tǒng)壓降增加過大,100 Pa是最佳的多孔板優(yōu)化布置壓力損失。
3 結(jié)論
(1)SCR系統(tǒng)內(nèi)多孔板的優(yōu)化布置可以改善系統(tǒng)內(nèi)流場及濃度場的均勻分布特性,隨著多孔板壓損的增加,首層催化劑入口截面的速度偏差呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢,濃度偏差呈現(xiàn)出首先急劇下降,隨后略微上升的變化趨勢。
(2)100 Pa為SCR系統(tǒng)內(nèi)多孔板優(yōu)化布置的最佳壓力損失,既可以保證SCR系統(tǒng)內(nèi)速度及濃度偏差在合適的范圍之內(nèi),又可避免系統(tǒng)壓降增加過大,可保證SCR系統(tǒng)的高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
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