生物质锅炉SCR系统内烟气流场模拟与优化
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i
式中：σ V 为标准偏差； V av 为所有测点平均速度或者浓 度；V i 为单个测点速度或者浓度；n 为测点数量。 为了保证较高的脱硝效率， 减少氨逃逸率， 以及催 ， CFD 化剂的使用寿命 燃煤电厂脱硝烟道 仿真性能指 标要求如下
［15 ］
槡
∑ （ Vi
－ V av ） 2 （ n － 1）
物理模 型 如 图 1 所 示， 按照 1 ∶ 1 的比例建立了 SCＲ 反应器全尺度三维模型， 整体尺寸为 18. 5 m × 18 m × 19 m。考虑喷氨系统、 导流板及整流格栅和烟道 其他部分的尺寸差异较大， 对它们进行局部网格加密， 770 。 总体网格为 万
2 T λ T φ T + uj = + x j ρc v x j x j ρc v t 式中：T 为温；c v 为定容比热容；φ 为内热源。 4 ） 组分方程：
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
505
为零。 2 ） 动量方程： （ ρu i ） + （ ρu j u i ） = t x i u i u j 2 u k μ + － δ ij x i 3 x k x j x i
式中： i 为坐标轴方向； a 为介质渗透性； C2 为内部阻 力因子； Δm 为介质厚度。 2 2. 1 物理模型及边界条件 物理模型
k2 = ρ u'j ， σk 为 湍 流 动 能 的 普 朗 特 数 ε （ 常数为 1. 0 ） ；σ ε 为湍流耗散率的普朗特数 （ 常数为 式中：μ t = ρC μ 1. 0 ） ；k 为湍流动能； ε 为湍流耗散率； G k 为由于速度 C2ε 和 梯度产生的湍流动能；μ t 为湍流动力黏度。 C1ε 、 C μ 为湍流模型经验常数。 6 ） 多孔介质模型： 催化剂是 SCＲ 的核心， 本文是使用了蜂窝状催化 剂， 如果对催化剂进行实际建模， 那么网格数目会达到 上千万网格， 受到当前计算机运行的限制， 所以， 本文 采用了多孔介质模型来模拟催化剂层所带来的阻力特 性， 多孔介质阻力特性如下： Δp = v (μ a
2. 2
边界条件
由于化学反应所产生的热量对整个烟道的影响很 ， 小 本文忽略了催化剂层的化学反应器对流场及温度 场的影响， 同时， 考虑烟气和氨空气混合气流速较低， 认为是不可压缩、 常物性流体。 烟气入口采用速度入口边界条件， 速度为 6. 2 m / s， 温度为 390 ℃ 。 对于喷氨结构， 只考虑了其在烟道 内部分， 出 口 边 界 采 用 速 度 入 口 边 界 条 件， 大小为 15. 7 m / s， 温度为 50 ℃ 。 流道出口条件为压力出口，
4. 3
温度场分布 如图 6 所示， 优化前后温度场的数值变化不大， 主
a—原始方案； b—优化方案 图2 Z = 2. 6 m 截面处速度分布
要是由于烟气相对氨气来说占据了整个流道 。 而且， 本文未考虑温度对流体物性的影响以及壁面散热的影 响， 所以， 最终催化剂上游温差控制在 1 ℃ 以内， 是满 足性能指标要求。 4. 4 系统压力分布 如图 7 所示， 通过优化导流板结构， 整个系统避免 了流动死区， 改善了此处的局部阻力损失， 但是由于导 流板的存在， 对流体流动造成一定的阻碍， 压力损失势 必有所增加， 但是从最终方案来看， 系统压降 （ 不包括 催化剂层） 为 190 Pa 左右， 满足小于 500 Pa 的性能指 标要求。
2 （ ρY m ） （ ρY m ） Jm + uj =－ + Sm （4） t x j x j x j Y m 为第 m 种物质的体积浓度；J m 为第 m 种物质 其中，
图1
SCＲ 系统模型
的质量扩散量；S m 为系统内部由于化学反应所产生的 该组分的质量。同上， 由于工作稳定以及未考虑催化 剂层的化学反应， 第一项和最后一项都为零。 5 ） 湍流方程： （ ρk ） + （ ρku i ） = t x i μ t k + G k － ρε + x j μ σ k x j
[(
) ]
（5）
（ ρε） + （ ρεu i ） = x i t x j
[(
μ +
ε ε μ t ε + C1ε G k － C2ε ρ k k x σk j
) ]
2
（6）
相对压力 0 Pa。其余壁面采用无滑移绝热壁面边界条 件。由于进口雷诺数 Ｒe 较大， 本文选用标准 k － （ 湍 流模型。在满足收敛的条件下， 对动量方程、 湍动能方 程和湍流扩散率方程等都使用二阶格式 。 3 评价方法 采用相对标准偏差 C V 来表征催化剂上速度及浓 C V 定义如下［14］： 度分布特性， C V = σ V / V av × 100 % σV =
+
1 C ρ | v i | v i Δm 2 2
)
（7）
：
506 催化剂上游烟气流速偏差 C V ： ± 15% 以内； 催化剂上游烟气速度偏转角： ± 10° 以内； 催化剂上游 NH3 浓度偏差 C V ： ± 5% 以内； 催化剂上游烟气温度偏差： ± 10 ℃ 以内； 系统压力损失：500 Pa 以内。 4 结果与分析
质量守恒、 动量守恒、 能量守恒以及组分守恒方程等。 ［13 ］ 主要方程 如下： 1 ） 连续性方程： ρ + （ ρu i ） = 0 （1） t x i i = 1 表示 X 方向；i = 2 表示 Y 式中：i 为空间坐标方向， ； i = 3 Z ； 方向 表示 方向 表示密度；u i 为第 i 方向的速 度矢量；t 为时间。因为对于烟道内流动来说， 一旦工 作稳定， 那么可认为烟道内的流动状况是稳定的 ， 那么 就可以按照定常流动来处理， 此时， 式中第一项可以
方案， 并对优化前后方案进行了对比分析 。研究发现， 合理地设计导流板和整流格栅结构， 能够有利地改善第一层催化剂上 游流场和浓度场。在满足脱硝效率和氨逃逸率前提下， 大大降低了烟气对催化剂层的冲刷， 保证催化剂的使用寿命。
关键词：SCＲ；脱硝系统；数值模拟
NUMBEＲICAL SIMULATION AND OPTIMIZATION OF FLUE GAS FLOW FIELD IN BIOMASS FIＲED BOILEＲ SCＲ SYSTEM
a—原始方案； b—优化方案 图3 催化剂上游速ຫໍສະໝຸດ Baidu分布
结构， 在优化方案中， 在各转向部位的流动低速区和流 速过大的区域得到很大程度的改善， 有利于减少漩涡 造成的局部压力损失， 在原始方案中， 由于没有导流结 构和整流格栅的整流作用， 在主流烟气的惯性作用下， 烟气直接冲向外侧壁面， 无法沿着内侧壁面转向， 导致 此处造成流动死区。 4. 2
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
为了便于观察优化前后各变量的差异， 分析结果 中给出了原始方案和优化方案的对比情况 。 其中， 原 始方案为没加导流板和整流格栅工况， 而优化方案是 加设了优化后导流板和整流格栅工况 。 4. 1 流场分布 如图 2 所示， 给出了距离前侧壁面 2. 6 m 处整个 纵截面上的流场速度云图和矢量图， 通过优化导流板
504
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
生物质锅炉 SCＲ 系统内烟气流场模拟与优化
张文志 叶子仪 曾毅夫
（ 凯天环保科技股份有限公司 工业生产环境技术湖南省企业重点实验室， 长沙 400100 ） 摘 要：基于 CFD 仿真分析技术， 对生物质锅炉 SCＲ 系统内烟气流场进行了数值模拟研究。通过优化设计， 得到最终优化
[ (
)] －
p + （ － ρ u' i u' j ） （2） x i x i p 为压 δ ij = 0 。 式中， 当 i = j 时， δ ij = 1 ；当 i≠j 时， 力；（ 为动力黏度； i 和 j 都为空间坐标方向； 同上非定 常项 （ ρu i ） 此处为零。 t 3 ） 能量方程： （3）
学 ） 仿真分析 方 法 ， 对脱硝系统烟道内流场进行了 ， 数值模拟 包括了从锅炉省 煤 器 出 口 到 脱 硝 反 应 器 烟道出口的 整 个 烟 道 部 分 ， 最 终， 在满足各项性能 指标要求的条件下 ， 得到了 优 化 的 导 流 板 及 整 流 格 栅结构 ， 为设 计 提 供 了 指 导 ， 减少了相关物理模型 试验次数 。 1 数值模型 SCＲ 脱硝反应器内烟气和氨的混合与流动满足
Zhang Wenzhi Ye Ziyi Zeng Yifu
（ Kaitian Environmental Technology Co． ，Ltd，Key Laboratory of Hunan Industrial Production Environmental Technology Cooperation，Changsha 410100 ，China） Abstract ： Based on CFD（ Computational Fluid Dynamics， CFD） simulation technique， numerical simulation and optimization of the flue gas flow field was studied in a biomass fired boiler SCＲ（ Selective Catalytic Ｒeduction， SCＲ） system． By the optimization design，the final optimization program was gained and compared with original programs． The results indicate that the rational design of guide vanes and rectifier grilles，the flow field and concentration field can be advantageously improved at the upstream of the first catalyst layer． At the same time， under meeting the denitration efficiency and ammonia slip rate conditions， the optimized structure greatly reduces the gas erosion on the catalyst layer to ensure the life of the catalyst． Keywords：SCＲ； denitration systems； numerical simulation
a—原始方案； b—优化方案 图4 催化剂上游速度偏转角
浓度场分布
由于喷氨浓度的分布， 主要受到上游流速、 下游混 合器结构及混合长度影响较大。从图 5 中对比情况来 看， 优化前后浓度分布都控制在 5% 以内， 满足性能指 ， ， 标要求 这主要还是由于混合长度足够长 保证了氨浓 度分布。
a—原始方案； b—优化方案 图5 催化剂上游浓度分布
各大电 近年来 ， 国家加大了对 NO x 控制的力度 ， 厂、 水泥厂等都开始加大了烟气脱硝的投入 。 目前 ， 主要的商业化应用的烟气脱硝技术有选择性催化还 ［1］ 原 （ SCＲ ） 和非选择性催化还原 （ SNCＲ ） 等 ， 但由于 SCＲ 法其具有较高的脱硝效率以及稳定性 ， 一直以 ［2 － 4］ 。 烟气和氨气在催化剂 来受到国内同行的青睐 前的混合均匀性程度直接影响着催化剂的寿命以及 催化剂入口速 其在催化剂 里 面 的 反 应 情 况 的 好 坏 ， 度分布和氨氮量比分布均匀性是考察 SCＲ 反应器设 ［5］ 合 理 的 布 置 喷 氨 结 构、 静态混合 计的重 要 因 素 ， 器、 导流装置 以 及 整 流 格 栅 对 脱 硝 效 率 有 着 重 要 的 影响 。 在不同 导 流 板 结 构 、 整流格栅位置以及混合 ［6 － 12］ 对脱硝 器布 置 方 式 条 件 下 ， 国内外很多学者 SCＲ 反应器的流场及浓度场进行了深入研究 ， 但是 很少有将催 化 剂 上 游 流 场 、 温度场和浓度场作为综 ， 合考核指标 来评价整个脱硝效率的 。 本 文 结 合 实 际某地区高 温 超 高 压 循 环 流 化 床 燃 煤 及 生 物 质 固 废焚烧锅炉 的 脱 硝 项 目 ， 基 于 CFD （ 计 算 流 体 动 力
式中：σ V 为标准偏差； V av 为所有测点平均速度或者浓 度；V i 为单个测点速度或者浓度；n 为测点数量。 为了保证较高的脱硝效率， 减少氨逃逸率， 以及催 ， CFD 化剂的使用寿命 燃煤电厂脱硝烟道 仿真性能指 标要求如下
［15 ］
槡
∑ （ Vi
－ V av ） 2 （ n － 1）
物理模 型 如 图 1 所 示， 按照 1 ∶ 1 的比例建立了 SCＲ 反应器全尺度三维模型， 整体尺寸为 18. 5 m × 18 m × 19 m。考虑喷氨系统、 导流板及整流格栅和烟道 其他部分的尺寸差异较大， 对它们进行局部网格加密， 770 。 总体网格为 万
2 T λ T φ T + uj = + x j ρc v x j x j ρc v t 式中：T 为温；c v 为定容比热容；φ 为内热源。 4 ） 组分方程：
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
505
为零。 2 ） 动量方程： （ ρu i ） + （ ρu j u i ） = t x i u i u j 2 u k μ + － δ ij x i 3 x k x j x i
式中： i 为坐标轴方向； a 为介质渗透性； C2 为内部阻 力因子； Δm 为介质厚度。 2 2. 1 物理模型及边界条件 物理模型
k2 = ρ u'j ， σk 为 湍 流 动 能 的 普 朗 特 数 ε （ 常数为 1. 0 ） ；σ ε 为湍流耗散率的普朗特数 （ 常数为 式中：μ t = ρC μ 1. 0 ） ；k 为湍流动能； ε 为湍流耗散率； G k 为由于速度 C2ε 和 梯度产生的湍流动能；μ t 为湍流动力黏度。 C1ε 、 C μ 为湍流模型经验常数。 6 ） 多孔介质模型： 催化剂是 SCＲ 的核心， 本文是使用了蜂窝状催化 剂， 如果对催化剂进行实际建模， 那么网格数目会达到 上千万网格， 受到当前计算机运行的限制， 所以， 本文 采用了多孔介质模型来模拟催化剂层所带来的阻力特 性， 多孔介质阻力特性如下： Δp = v (μ a
2. 2
边界条件
由于化学反应所产生的热量对整个烟道的影响很 ， 小 本文忽略了催化剂层的化学反应器对流场及温度 场的影响， 同时， 考虑烟气和氨空气混合气流速较低， 认为是不可压缩、 常物性流体。 烟气入口采用速度入口边界条件， 速度为 6. 2 m / s， 温度为 390 ℃ 。 对于喷氨结构， 只考虑了其在烟道 内部分， 出 口 边 界 采 用 速 度 入 口 边 界 条 件， 大小为 15. 7 m / s， 温度为 50 ℃ 。 流道出口条件为压力出口，
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温度场分布 如图 6 所示， 优化前后温度场的数值变化不大， 主
a—原始方案； b—优化方案 图2 Z = 2. 6 m 截面处速度分布
要是由于烟气相对氨气来说占据了整个流道 。 而且， 本文未考虑温度对流体物性的影响以及壁面散热的影 响， 所以， 最终催化剂上游温差控制在 1 ℃ 以内， 是满 足性能指标要求。 4. 4 系统压力分布 如图 7 所示， 通过优化导流板结构， 整个系统避免 了流动死区， 改善了此处的局部阻力损失， 但是由于导 流板的存在， 对流体流动造成一定的阻碍， 压力损失势 必有所增加， 但是从最终方案来看， 系统压降 （ 不包括 催化剂层） 为 190 Pa 左右， 满足小于 500 Pa 的性能指 标要求。
2 （ ρY m ） （ ρY m ） Jm + uj =－ + Sm （4） t x j x j x j Y m 为第 m 种物质的体积浓度；J m 为第 m 种物质 其中，
图1
SCＲ 系统模型
的质量扩散量；S m 为系统内部由于化学反应所产生的 该组分的质量。同上， 由于工作稳定以及未考虑催化 剂层的化学反应， 第一项和最后一项都为零。 5 ） 湍流方程： （ ρk ） + （ ρku i ） = t x i μ t k + G k － ρε + x j μ σ k x j
[(
) ]
（5）
（ ρε） + （ ρεu i ） = x i t x j
[(
μ +
ε ε μ t ε + C1ε G k － C2ε ρ k k x σk j
) ]
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（6）
相对压力 0 Pa。其余壁面采用无滑移绝热壁面边界条 件。由于进口雷诺数 Ｒe 较大， 本文选用标准 k － （ 湍 流模型。在满足收敛的条件下， 对动量方程、 湍动能方 程和湍流扩散率方程等都使用二阶格式 。 3 评价方法 采用相对标准偏差 C V 来表征催化剂上速度及浓 C V 定义如下［14］： 度分布特性， C V = σ V / V av × 100 % σV =
+
1 C ρ | v i | v i Δm 2 2
)
（7）
：
506 催化剂上游烟气流速偏差 C V ： ± 15% 以内； 催化剂上游烟气速度偏转角： ± 10° 以内； 催化剂上游 NH3 浓度偏差 C V ： ± 5% 以内； 催化剂上游烟气温度偏差： ± 10 ℃ 以内； 系统压力损失：500 Pa 以内。 4 结果与分析
质量守恒、 动量守恒、 能量守恒以及组分守恒方程等。 ［13 ］ 主要方程 如下： 1 ） 连续性方程： ρ + （ ρu i ） = 0 （1） t x i i = 1 表示 X 方向；i = 2 表示 Y 式中：i 为空间坐标方向， ； i = 3 Z ； 方向 表示 方向 表示密度；u i 为第 i 方向的速 度矢量；t 为时间。因为对于烟道内流动来说， 一旦工 作稳定， 那么可认为烟道内的流动状况是稳定的 ， 那么 就可以按照定常流动来处理， 此时， 式中第一项可以
方案， 并对优化前后方案进行了对比分析 。研究发现， 合理地设计导流板和整流格栅结构， 能够有利地改善第一层催化剂上 游流场和浓度场。在满足脱硝效率和氨逃逸率前提下， 大大降低了烟气对催化剂层的冲刷， 保证催化剂的使用寿命。
关键词：SCＲ；脱硝系统；数值模拟
NUMBEＲICAL SIMULATION AND OPTIMIZATION OF FLUE GAS FLOW FIELD IN BIOMASS FIＲED BOILEＲ SCＲ SYSTEM
a—原始方案； b—优化方案 图3 催化剂上游速ຫໍສະໝຸດ Baidu分布
结构， 在优化方案中， 在各转向部位的流动低速区和流 速过大的区域得到很大程度的改善， 有利于减少漩涡 造成的局部压力损失， 在原始方案中， 由于没有导流结 构和整流格栅的整流作用， 在主流烟气的惯性作用下， 烟气直接冲向外侧壁面， 无法沿着内侧壁面转向， 导致 此处造成流动死区。 4. 2
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
为了便于观察优化前后各变量的差异， 分析结果 中给出了原始方案和优化方案的对比情况 。 其中， 原 始方案为没加导流板和整流格栅工况， 而优化方案是 加设了优化后导流板和整流格栅工况 。 4. 1 流场分布 如图 2 所示， 给出了距离前侧壁面 2. 6 m 处整个 纵截面上的流场速度云图和矢量图， 通过优化导流板
504
环 境 工 程 2014 年第 32 卷增刊
生物质锅炉 SCＲ 系统内烟气流场模拟与优化
张文志 叶子仪 曾毅夫
（ 凯天环保科技股份有限公司 工业生产环境技术湖南省企业重点实验室， 长沙 400100 ） 摘 要：基于 CFD 仿真分析技术， 对生物质锅炉 SCＲ 系统内烟气流场进行了数值模拟研究。通过优化设计， 得到最终优化
[ (
)] －
p + （ － ρ u' i u' j ） （2） x i x i p 为压 δ ij = 0 。 式中， 当 i = j 时， δ ij = 1 ；当 i≠j 时， 力；（ 为动力黏度； i 和 j 都为空间坐标方向； 同上非定 常项 （ ρu i ） 此处为零。 t 3 ） 能量方程： （3）
学 ） 仿真分析 方 法 ， 对脱硝系统烟道内流场进行了 ， 数值模拟 包括了从锅炉省 煤 器 出 口 到 脱 硝 反 应 器 烟道出口的 整 个 烟 道 部 分 ， 最 终， 在满足各项性能 指标要求的条件下 ， 得到了 优 化 的 导 流 板 及 整 流 格 栅结构 ， 为设 计 提 供 了 指 导 ， 减少了相关物理模型 试验次数 。 1 数值模型 SCＲ 脱硝反应器内烟气和氨的混合与流动满足
Zhang Wenzhi Ye Ziyi Zeng Yifu
（ Kaitian Environmental Technology Co． ，Ltd，Key Laboratory of Hunan Industrial Production Environmental Technology Cooperation，Changsha 410100 ，China） Abstract ： Based on CFD（ Computational Fluid Dynamics， CFD） simulation technique， numerical simulation and optimization of the flue gas flow field was studied in a biomass fired boiler SCＲ（ Selective Catalytic Ｒeduction， SCＲ） system． By the optimization design，the final optimization program was gained and compared with original programs． The results indicate that the rational design of guide vanes and rectifier grilles，the flow field and concentration field can be advantageously improved at the upstream of the first catalyst layer． At the same time， under meeting the denitration efficiency and ammonia slip rate conditions， the optimized structure greatly reduces the gas erosion on the catalyst layer to ensure the life of the catalyst． Keywords：SCＲ； denitration systems； numerical simulation
a—原始方案； b—优化方案 图4 催化剂上游速度偏转角
浓度场分布
由于喷氨浓度的分布， 主要受到上游流速、 下游混 合器结构及混合长度影响较大。从图 5 中对比情况来 看， 优化前后浓度分布都控制在 5% 以内， 满足性能指 ， ， 标要求 这主要还是由于混合长度足够长 保证了氨浓 度分布。
a—原始方案； b—优化方案 图5 催化剂上游浓度分布
各大电 近年来 ， 国家加大了对 NO x 控制的力度 ， 厂、 水泥厂等都开始加大了烟气脱硝的投入 。 目前 ， 主要的商业化应用的烟气脱硝技术有选择性催化还 ［1］ 原 （ SCＲ ） 和非选择性催化还原 （ SNCＲ ） 等 ， 但由于 SCＲ 法其具有较高的脱硝效率以及稳定性 ， 一直以 ［2 － 4］ 。 烟气和氨气在催化剂 来受到国内同行的青睐 前的混合均匀性程度直接影响着催化剂的寿命以及 催化剂入口速 其在催化剂 里 面 的 反 应 情 况 的 好 坏 ， 度分布和氨氮量比分布均匀性是考察 SCＲ 反应器设 ［5］ 合 理 的 布 置 喷 氨 结 构、 静态混合 计的重 要 因 素 ， 器、 导流装置 以 及 整 流 格 栅 对 脱 硝 效 率 有 着 重 要 的 影响 。 在不同 导 流 板 结 构 、 整流格栅位置以及混合 ［6 － 12］ 对脱硝 器布 置 方 式 条 件 下 ， 国内外很多学者 SCＲ 反应器的流场及浓度场进行了深入研究 ， 但是 很少有将催 化 剂 上 游 流 场 、 温度场和浓度场作为综 ， 合考核指标 来评价整个脱硝效率的 。 本 文 结 合 实 际某地区高 温 超 高 压 循 环 流 化 床 燃 煤 及 生 物 质 固 废焚烧锅炉 的 脱 硝 项 目 ， 基 于 CFD （ 计 算 流 体 动 力