设计方案和优化设计方案的流场特性。模拟结果表明：初始设计方案中喷氨上游截面和首层催化剂入口截面的速度分布相对偏差较大，催化剂层的氨氮比分布不均匀；通过加装合适的烟气导流装置可以明显改善喷氨上游截面和首层催化剂入口截面的速度分布，同时也能降低氨氮比的不均匀程度；优化设计方案中各截面的速度相对偏差和氨氮比的均匀性都已满足工程实际的要求，有利于烟气中NOx的脱除。
关键词：SCR；烟气脱硝；流场；数值模拟；优化设计
中图分类号：TK16文献标识码：A
Abstract：Numerical simulation was carried out to investigate the filed flow characteristics of the SCR flue gas denitrification. In the initial design scheme， the velocity distribution had a large deviation in the upstream of ammonia injection grid（AIG）， and the inlet of first catalyst layer and the ratio of ammonia to nitrogen in the catalyst layer was not uniform.By installing a suitable flue gas diversion device， the velocity distribution in the upstream of AIG and in the inlet of first catalyst layer can be obviously improved， and the unevenness of the ammonia nitrogen ratio can also be reduced.For the optimization design scheme， the relative velocity deviation and the ammonia nitrogen ratio in each design section has met the requirements of engineering practice， and it is beneficial to remove NOx in flue gas.
Key words：SCR；flue gas denitrification；flow field；numerical simulation；optimization design
电厂燃煤过程中产生的NOx是大气污染物的主要来源之一[1]。迄今为止，在工程实际中已开发出了多种控制和治理燃煤烟气中NOx的技术，而选择性催化还原反应（SCR）脱硝技术以其技术成熟、脱硝率高和经济适用性好等优点成为大型燃煤电站烟气脱硝技术的主流选择[2；3]。在SCR脱硝系统中，烟气的流动特性是影响催化剂有效利用和脱硝效率的重要因素。
在SCR脱硝技术的实际工程应用中，一般采用数值模拟与冷态试验相结合的方法对其流场进行模拟研究，并通过适当的方法优化调整SCR脱硝系统的流场分布，从而为工程实际提供最优建议，以确保SCR脱硝系统满足脱硝反应所要求的流场环境[4]。
相对于冷态试验而言，数值模拟更易操作和实现，并且省时省力[5；6]。然而，从国内发展情况来看，数值模拟在SCR脱硝系统中的应用还处于起步阶段，可用的数据较少。目前，国内外的学者对SCR脱硝系统的数值模拟和优化设计也做了一些初步的研究。郭婷婷等[7]认为脱硝系统加装导流叶栅和整流格栅可以使得反应器内首层催化剂入口断面烟气速度不均匀性低于15%，并且数值计算的结果可以有效地指导SCR脱硝系统的设计。毛庚仁等[8]学者应用流体计算动力学软件对某电厂600 MW燃煤机组SCR反应器的设计与布置进行了数值计算，结果表明数值模拟结果与冷态试验结果吻合较好。
因此，本文以某电厂1×260 t/h的高温高压煤粉锅炉所配套使用的SCR脱硝系统为研究对象，通过数值模拟的方法对脱硝系统的流场进行计算，并提出了相应的优化措施。
1 脱硝系统概况
本文的研究对象为1×260 t/h的高温高压煤粉锅炉配套使用的SCR脱硝系统。该系统包括省煤器底部烟道、SCR入口烟道、喷氨格栅（AIG）、整流格栅、SCR催化剂层和连接空气预热器的出口烟道，图1为该工程脱硝系统烟道示意图。
SCR脱硝系统的还原剂由喷氨格栅处的喷嘴喷射，所喷射的氨气与烟道内的烟气经整流格栅充分混合后流至下游的催化剂层，在催化剂表面上与NOx发生脱硝反应生成H2O和N2[9]，脱硝后的烟气由出口烟道排出，最后流入空气预热器等下游各级设备。脱硝系统的烟气参数详见表 1。
喷氨格栅是SCR烟气脱硝系统中喷射氨气的设备。在工程实际中，氨气和稀释风混入喷氨格栅充分混合后作为还原剂喷射至脱硝系统烟道，然后被含有NOx的烟气携带至下游的催化剂层上发生脱硝反应。喷氨格栅共分为6个分区，每个分区由4×7共28个喷氨喷头组成，相应的结构参数和设计参数见表 2。
2 数值模拟方法
2.1 数学模型
SCR脱硝系统内的烟气流动属于典型的湍流流动，因此本文在数值模拟过程中选取标准k-ε湍流模型[10]。为了便于模拟SCR脱硝系统内烟气的流动情况，本文从实际出发做出了如下假设和简化：
（1）将烟气視为不可压缩牛顿流体；
（2）假设SCR脱硝系统进口处烟气速度分布均匀；
（3）催化剂层压降采用多孔介质进行模拟，产生一个与实际运行值相当的压力损失进行模拟；
（4）考虑到计算机的处理能力，在计算时只取宽度为一个喷氨格栅分区的空间进行计算。
基于上述假设和简化，描述本物理问题的连续性方程、动量方程和能量方程分别为：
对于SCR脱硝系统内催化剂层的压降，本文将其看作多孔介质以进行数值计算。在数值计算时，每层催化剂的压降与工程实际中的压降是一致的，均设定为200 Pa。
2.2 网格处理
本文采用分区域的网格划分方法对SCR脱硝系统的烟道进行处理。喷氨格栅部分几何结构比较复杂，因此喷氨格栅处采用非结构化四面体网格，其他烟道部分采用结构化六面体网格。另外，与SCR脱硝整体系统相比，喷氨格栅的尺寸相对较小，为了准确模拟喷嘴处的流动情况，划分网格时对喷嘴出口段进行了局部加密。SCR脱硝系统的整体网格结构和喷氨格栅处的网格结构如图2所示。
SCR烟气脱硝系统的入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，出口压力取1个标准大气压。在处理壁面时选择标准壁面函数，为防止壁面非线性发散，本文采用低松弛迭代的变松弛系数法。
2.3 性能参数
实际工程中对SCR脱硝系统的性能要求越来越高，本文采用相对偏差作为标准来衡量SCR系统的工作性能。相对偏差Cv的定义为：
在本文中，SCR系统的性能参数是指特定截面上的速度相对偏差和浓度相对偏差。特定截面包括喷氨格栅（AIG）上游截面和首层催化剂入口截面。速度相对偏差是衡量截面上流动均匀性的参数，浓度标准偏差是衡量截面上烟气分布均匀性的参数。
3 计算结果及分析
3.1 模型验证结果
获得网格独立解是判断数值计算是否合格的基本标准。为了消除网格疏密变化引起的数值误差，在正式计算之前需要对计算区域的网格进行独立性验证。
本文采用6个不同的网格数进行网格独立性验证。计算结果表明当网格数达到208万以上时，100%BMCR工况下SCR烟道出口雷诺数Re趋于一定值，数值计算的结果不再随着网格的加密而发生明显变化。因此，本研究中网格数量为208万个。
为了验证模型的准确性，本文分别针对50%BMCR、60%BMCR、70%BMCR、100%BMCR和110%BMCR工况进行数值模拟，各工况下SCR烟道出口速度的实验测试值和数值计算值的对比见图3。
图3表明SCR烟道出口处速度的实验测试结果和数值计算结果吻合度较高，最大偏差不超过10%。因此，本文所选取的数值模型可以较为准确地反应烟道内的实际流动情况。
3.2 初始设计方案
本文首先模拟了SCR脱硝系统初始设计方案的性能，SCR脱硝系统烟道的初始结构图1所示。在喷氨格栅的上下游烟道的拐角处各布置有2个90°的弧状挡板，倾斜烟道入口处布置有3个扰流挡板，另外整流格栅正上方的斜壁处布置2个扰流挡板。
图4为初始设计方案100% BMCR工况下SCR系统总体速度分布的数值模拟结果。总的看来，系统中省煤器出口烟道的转向导致AIG上游速度不均匀，偏差较大，尤其是靠近左面烟道的部分速度较低，这种烟气的不均匀性会直接影响氨与烟气的混合均匀性；烟气经过竖直段烟道后，会依次经过90°弯曲烟道和倾斜烟道后进入整流格栅，从而接触到首层催化剂。初始设计方案在烟道拐角处布置有导流装置，因此首层催化剂进口截面上的速度分布比较均匀。
图5为AIG上游截面的速度分布情况。根据数值模拟的结果，可以得出AIG上游截面的平均速度Avg=14.330 m/s，相对偏差Cv=20.05%。尽管AIG上游处90°弯曲烟道内布置了2个弧状导流板，但是AIG上游截面的速度分布依然出现较大偏差，不利于氨气和烟气的充分混合。因此，AIG上游烟道需要进一步优化。
图6为首层催化剂入口截面上速度大小和方向的分布情况。根据数值拟的结果可以得出：首层催化剂入口截面平均速度的大小为4.456 m/s，相对偏差Cv=14.02%，平均速度的方向与垂直方向夹角为21.72°。这说明初始设计方案在催化剂首层的速度大小分布比较不均匀，并且烟气对催化剂的冲刷作用交大，容易加剧催化剂的磨损。
图7 为首层催化剂入口截面上NOx/NH3的分布情况。根据数值计算的结果，可以得出首层催化剂入口截面上NOx/NH3的平均值为0.864，相对偏差Cv=13.22%。氨氮比分布的不均匀性比较明显，不利于脱硝反应的进行。
数值模拟的结果表明：初始设计方案的流场分布不均匀，这将极大地影响脱硝反应的进行。因此，需要对SCR系统烟道进行优化设计，以降低流场的不均匀性，进而提高脱硝反应的效率。
3.3 优化设计方案
考虑到喷氨格栅和整流格栅的设计已经比较合理，因此，本文通过增加导流装置的方法来优化SCR脱硝系统的流场分布。具体优化措施有：（1）AIG上游截面速度分布偏差较大，这是由于省煤器出口烟道存在转向，因此在90°弯曲烟道前后加装导流板，以使速度分布更加均匀；（2）首层催化剂入口处速度分布和氨氮比不均匀，因此需要在烟气进入倾斜烟道之前加装平直的导流板。优化设计方案的局部示意图见图8（其中蓝色导流板为原始设计方案，灰色导流板为优化方案所增加的导流装置）。
本文针对上述优化方案进行了数值模拟。图9给出了优化后100%BMCR工况下SCR系统总体速度分布特性的数值模拟结果。总的看来，增加导流板后AIG上游速度不均匀度降低，尤其是靠近左面烟道速度较低的现象有所改善；另外，因为在倾斜烟道之前增加了导流板，所以首层催化剂截面上烟气速度的不均匀性有所减弱。下文将详细分析各个截面上的流动特性。
图10给出了AIG上游速度大小分布情况的数值模拟结果。根据数值模拟的结果可以得出，优化方案下AIG上游截面速度偏差从Cv=20.05%降低到了Cv=8.93%。這说明流场的均匀性有了进一步的提高，有利于氨气和烟气的充分混合。
图11为首层催化剂入口截面上速度大小和方向的分布情况。根据数值拟的结果可以得出，优化方案下首层催化剂入口截面平均速度的大小为Avg=4.501 m/s，相对偏差为 Cv=12.83%，平均速度的方向与垂直方向夹角为14.53°。与原始设计方案相比，优化方案下催化剂首层的速度大小分布更加均匀，并且烟气对催化剂的冲刷作用变小，减轻了催化剂的磨损程度。
图12 为首层催化剂入口截面上NOx/NH3的分布情况。根据数值计算的结果，可以得出首层催化剂入口截面上NOx/NH3的平均值为0.872，相对偏差Cv=9.84%。与原始设计方案相比，优化后氨氮比分布的不均匀性明显减小，有利于脱硝反应的进行。
数值模拟的结果表明：与原始设计方案相比，优化设计方案的流场分布更加均匀，烟气对催化剂的冲刷作用减小，首层催化剂入口截面的氨氮比分布较为均匀，有利于提高脱硝反应的效率。
4 结论
本文对SCR脱硝系统的流场特性进行了数值模拟，分别分析了特定截面上的速度分布和氨氮比分布，然后根据数值模拟结果做出了相应的结构调整何优化。结论如下：
（1）SCR脱硝系统初始方案中AIG上游截面和首层催化剂截面的速度分布不均匀性明显，首层催化剂截面上氨氮比分布不均匀，不利于脱硝反应的进行，同时烟气对催化剂层的冲刷较为严重。
（2）省煤器出口烟道存在转向会导致AIG上游截面速度分布偏差较大。通过在90°弯曲烟道前后加装导流板可以降低AIG上游截面的速度偏差，改善速度分布的均匀性。
（3）在烟气进入倾斜烟道之前加装平直的导流板，可以改善首层催化剂入口处的速度分布、降低氨氮比混合的不均匀性以及减轻催化剂的磨损程度，有利于脱硝反应的正常进行。
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作者簡介：王飞（1973-），男，高级工程师。