SV型靜態混合元件排列方式對SCR系統豎直煙道混合效果的影響

張春梅，丁桂彬，李宇軒，劉彬

（沈陽化工大學 機械與動力工程學院，遼寧 沈陽 110020）

采用合理的煙道結構設計，是使SCR脫硝系統內氨氣和NOx均勻混合的有效措施，可以避免由于氨氣和NOx的混合不均所導致的一系列問題。Ming[1]等人通過數值建模的方法對SCR脫硝系統進行了設計優化，研究了催化劑基質和多孔板的流動阻力對速度分布和壓降的影響；蔡小峰[2]利用數值模擬的方法研究了導流板對SCR脫硝系統煙道內流場的影響；王偉[3]利用數值模擬的方法研究了導流板數量對SCR脫硝反應器入口煙道流場的影響。

此外，還有部分學者針對噴氨格柵上方放置靜態混合器對煙道內流場的影響進行了研究。王美巧[4-5]等研究了波紋板混合器的波紋板交錯角度對SCR脫硝系統煙道內流場的影響和扭葉片混合器葉片扭度及數量對SCR脫硝系統煙道內流場的影響；裴煜坤[6]等采用模擬與試驗相結合的方法，研究了V型噴氨混合裝置結構對SCR脫硝系統煙道內混合效果的影響；吳衛紅[7]等運用數值模擬的方法，研究了X型靜態混合器對煙道內速度場和濃度場的影響。

多年來，SV型靜態混合器一直是備受關注的一種靜態混合器，它在流動混合方面的表現較為突出。李新[8]等采用高速照相的方法，研究了SV型靜態混合器在不同流速下的分散性能，研究表明混合器波紋傾角對分散性能的影響明顯高于混合單元波紋夾角。裴凱凱[9]通過數值模擬與冷模試驗結合的方法，探究了波紋板片數對混合質量的影響以及相對壁面間距對阻力系數的影響。

在此之前，SV型靜態混合元件多置于圓形管道中，將其置入矩形通道中的研究還不多見。本文將研究將SV型靜態混元件置于SCR脫硝系統矩形豎直煙道段時，其排列方式對煙道內混合效果的影響，探討排列方式變化對煙道內速度場和濃度場造成的影響，為此后的理論研究以及實際生產中SV型靜態混合元件的選擇提供理論參考。

1 建立模型

1.1 物理模型

本文選取某燃煤電廠大型煙氣脫硝系統的豎直煙道段作為研究對象，其長、寬、高分別為6.2 m、11.5 m、15.3 m?？紤]到加入SV型靜態混合器后，模型的總體結構會變得更為復雜，以及計算機的計算能力限制，在這里物理模型按照實際1/20的幾何比例縮小，利用三維繪圖軟件對SCR系統豎直煙道段進行三維建模，以豎直向上作為Z軸正方向，以煙氣進氣方向作為X軸正方向。模型圖如圖1所示。

圖1 SCR脫硝系統煙氣豎直煙道段物理模型

圖2 混合元件橫截面示意圖

1.2 數學模型

由于本文考察重點是AIG上游SV型靜態混合器結構參數變化對出口截面的速度場和濃度場分布的影響，所以對煙道內煙氣流動做了簡化，并且忽略其他無關因素對流場造成的影響，數值模擬中做出以下假設：①系統內煙氣流動為定常流動，物性參數為常數；②煙氣中灰分和粉塵等固體顆粒含量較少，所以不考慮固體顆粒的影響；③實際系統進出口溫差較小，假設系統絕熱；④系統內流體均為理想氣體。由于煙氣包括多種組分，本模擬還需要選擇物質輸運模型來模擬各組分的混合情況。

基于以上簡化與假設，SCR系統煙氣豎直煙道段流場的主要控制方程可表示為：

連續性方程：

動量方程：

能量物質輸運模型：

式中：ui—三個速度方向的分量，m/s；

xi—相應速度方向下的位移，m；

μ—動力黏度；

ρ—混合氣體的密度。

其中：mj—j種物質的質量；

Mj—j種物質的摩爾質量；

Yj—j種物質的質量分數；

Jj—j種物質的質量擴散量。

1.3 邊界條件

助CFD仿真軟件對研究對象進行數值模擬。采用基于壓力的穩態求解器，進口采用velocity-inlet邊界條件，按照等流速的方法可確定煙氣流量624.88 m3·h-1，煙氣進口宏觀速度為9.66 m·s-1，煙氣進口處的雷諾數Re=1.47×105，湍流模型選擇Standard k-模型，利用湍流強度和水力直徑定義湍流程度。入口處煙氣的馬赫數Ma=0.028，當馬赫數小于0.3時，可忽略流體的壓縮性影響。出口采用outflow邊界條件。靜態混合器和固體壁面設置為wall，采用標準壁面函數。壓力-速度耦合采用SIMPLEC方法，k和的收斂殘差均設置為10-6，其余收斂殘差均設置為10-4。

1.4 網格無關性驗證

本文研究對象結構復雜，考慮到計算機性能，網格劃分不宜采用過大的網格密度，但網格密度過小又會對計算結果造成一定的影響，為了選擇合適的網格劃分尺寸以及排除網格密度對模擬計算結果的影響，在相同的邊界條件下，將流動區域分別劃分為84萬、114萬、152萬、182萬、234萬和288萬6種不同網格密度的模型，對其進行數值模擬計算，比較不同網格密度所對應的煙氣出口處速度相對標準偏差系數Cv。如圖3所示，隨著網格密度增大，煙氣出口處的速度相對標準偏差系數Cv先增大后減小，網格數量為234萬和288萬時所對應的值分別為25.03%、25.02%，其波動誤差在5%范圍內，此時，網格密度已經不會對計算結果造成影響，同時為了兼顧計算機的性能，最終選擇234萬的網格模型進行模擬計算。

圖3 速度相對標準偏差系數隨網格數量的變化關系

2 結果與討論

在元件組件數目相同的情況下（這里選擇組件數目為15片），研究相鄰混合單元排列方式對混合效果造成的影響。模型一以順排方式排列，相鄰單元的流道方向相同；模型二以叉排方式排列，相鄰流道之間呈90°交錯排列。模型圖如圖4所示。

圖4 混合元件排列方式

2.1 濃度場分析

為了分析混合元件排列方式對豎直煙道段混合氣體空間濃度分布的影響，提取氨氣摩爾分數的計算數據，做出三種方案下的氨濃度分布圖進行分析對比。

如圖5所示，分別給出了豎直煙道段內無靜態混合器、內置順排靜態混合器、內置叉排靜態混合器時出口截面的氨氣濃度分布圖。

圖5 不同方案時豎直煙道段出口處氨濃度分布

從圖中可以看出，當豎直煙道段內無內置靜態混合器時，由于沒有內置件的干擾，氨氣從噴氨裝置噴出后，幾乎只做沿Z軸正方向的單向運動，這就導致出口處的氨氣幾乎集中分布在每根噴氨管的直徑范圍周圍，沒有得到很好的擴散分布。如模型一和模型二的氨濃度分布圖所示，當在豎直煙道段內加入靜態混合器后，氨氣的分布效果得到了明顯改善，大部分氨氣分布較為均勻。這是由于當混合氣體進入到靜態混合器后，被分割成多股氣流，每股氣流經過混合單元組件-波紋板時，會有一部分流體從主流中分離出來進入到波紋凹槽中，撞擊到凹槽壁后折回形成旋渦，然后又匯聚到主流中流向下一個波紋凹槽，混合氣體在靜態混合器中重復這種運動，直至流出靜態混合器，通過這種方式造成了氣流紊流，增加了混合氣體的接觸時間，增大了混合氣體的接觸面積，有利于混合氣體的充分混合，而且模型二的氨氣濃度分布較模型一略均勻一些。

2.2 速度場分析

為了直觀的觀察元件排列方式對速度場的影響，分別選取豎直（Y向）和水平（Z向）兩個不同方向截面上的矢量圖以及進行對比，由圖6可知，混合氣體分別從交錯90°的兩個方向進入到靜態混合器通道中。當上下混合元件以順排方式排列時（即模型一），由于上下兩通道之間沒有交錯角，氣流從下通道流入后繼續按原方向流入上通道，兩股氣流在通道中間位置發生碰撞形成旋渦，迫使周圍流體改變流動方向，分別從兩側流出；而當上下混合元件以叉排方式排列時（即模型二），由于上下通道呈90°交錯，氣流從下通道流入后，在上通道的左右兩側各自匯聚，形成兩個微小旋渦，迫使氣流沿著通道壁流動，削弱了氣體在主流方向的流動效果。

圖6 不同方案下XZ平面速度矢量圖

從錯誤！未找到引用源?？梢钥闯?，不論混合元件以何種方式排列，氣流在兩片波紋板所形成的通道中只形成一個旋渦，不同的是氣流在模型一流道中形成的是逆時針旋向的旋渦，而在模型二中形成順時針旋向的旋渦，逆向旋渦的存在加強了垂直于主流方向的氣體流動效果。

采集空煙道、順排排列及叉排排列三種方案下的主流速度值，繪制出口處的速度分布曲線，如錯誤！未找到引用源。所示。通過模型一、模型二和無靜態混合器模型的比較可以看出，無內置靜態混合器時，沿X方向的速度呈類似拋物線變化，分布很不均勻；當加入靜態混合器后，豎直煙道段流道內較大范圍的混合氣體速度分布得到了改善，而且相較于模型二，模型一對混合氣體速度分布的優化效果更為明顯。

圖7 不同方案下XY平面速度矢量圖

圖8 各方案下豎直煙道段出口處速度分布曲線

2.3 混合效果定量分析

混合元件的兩種排列方式在優化混合氣體濃度場和速度場分布兩方面各占優勢，為了更好地選擇混合元件的排列方式，計算出不同方案時主流速度、氨氣濃度的相對標準偏差系數，以及壓降，進行定量分析，結果如表1所示。

表1 不同方案的數值模擬結果

相較于無靜態混合器的模型，模型一和模型二的主流速度的相對標準偏差分別增大了9.59%、37.5%，氨氣濃度相對標準偏差系數減小了83.74%、89.88%。增加靜態混合器后，豎直煙道段流道內的阻力損失明顯增大，模型二的阻力損失較模型一還是要多32.67%。綜合各項數據對比，模型二的濃度場分布優于模型一，但其速度場分布以及阻力損失均遜色于模型一，而且模型一的氨氣濃度相對標準偏差系數已符合低于15%的要求。

3 結論

本文針對內置于SCR脫硝系統豎直煙道段的SV型靜態混合元件的排列方式對其混合效果的影響進行了數值模擬研究，以Cv(Vz)、Cv(NO)作為評價指標，結合煙道內的速度場、濃度場分布及壓降，綜合分析排列方式對混合效果的影響。

1)從濃度分布云圖來看，SV型靜態混合元件的插入，對豎直煙道內氣體分布起到了一定的優化作用；當混合元件以順排方式排列時，對煙道內氣體分布的優化效果要略差于叉排方式排列的混合元件。

2)從速度云圖來看，當混合元件以順排方式排列時，對煙道內氣體流動效果的強化要強于叉排排列的混合元件。此外，從出口截面X向速度分布曲線圖可以看出，順排排列對煙道內氣體分布均化的效果要稍強于叉排排列。

(3)從定量分析的角度來看，叉排排列時Cv(Vz)值要比出順排排列時高出約25.52%，但是其Cv(NH3)值要比順排排列的低約37.8%。此外，當混合元件以叉排方式排列時，系統壓降較順排排列高出了約32.67%。雖然順排排列時Cv(NH3)值要低于叉排排列的，但已低于15%。因此，在矩形煙道內安裝SV型靜態混合元件時，建議選擇順排排列方式。