1、工程应用Engineering Application70CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165引言随着我国环境治理要求的日益严格，氮氧化物（NOx）的允许减排标准也逐年提升。近年来，选择性催化还原（SCR）技术因其具备脱硝效率高的特点，在热力发电、钢铁等行业对NOx的处理方面得到了广泛应用1-2。同时在NOx排放主要源头之一的水泥行业3，SCR技术的应用也越来越受重视。脱硝系统的流场均布情况是脱硝效率的关键影响因素。若烟气流场分布不均匀，流场将出现局部高低速区，氨气和烟气混合不充分，造成催化剂磨损和堵塞，氨逃逸严重，脱硝效率降低，最终导致催化剂性能下降。针对流场分布不均对
2、脱硝系统造成的不利影响以及如何提高脱硝系统流场均匀性的问题，美国B&W公司4详细地研究了速度、温度差和反应物浓度的分布偏差对脱硝效率的影响，并且在实际工程中进行了验证，提出了合适的速度、温度差和反应物浓度分布偏差值，对实际工程具有积极的指导意义；瑞士Flowtech公司指出了美水泥窑尾烟气SCR脱硝系统流场优化研究韩玉维北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室 北京 100041摘 要：水泥窑尾烟气选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）脱硝系统的流场均布问题是脱硝效率、氨逃逸控制及催化剂堵塞和磨损的关键影响因素。采用
3、CFD FLUENT数值模拟方法，对SCR脱硝系统的速度场、压力场及尘粒浓度场进行模拟分析，优选出“导流格栅层均流层”的最佳导流结构，并更改优化了系统出口烟道结构。得出最优的模拟结果为：入射进第一层催化剂床层的烟气流线与床层截面垂直方向的最大偏角小于10；第一层催化剂床层前的烟气流场速度均匀度相对标准偏差（Coefficient of Variation,CV）值为7.7%，较未优化的工况速度均匀度CV值提升了25.8%；第一层催化剂床层前入口区域尘粒浓度值均处于0.050.06kg/m3。以上优化结果使入射进催化剂床层的烟气流线顺畅，均匀分布系统速度流场，实现氨气和烟气的充分混合，进而降低氨
4、逃逸率，同时可有效避免催化剂床层的堵塞和磨损，最终实现脱硝效率的提升。关键词：SCR；模拟分析；导流优化；均匀度相对标准偏差值Study on Flow Field Optimization of Cement Kiln Flue Gas SCR Denitrification SystemAbstract:The flow field uniformity of the selective catalytic reduction(SCR)denitration system of cement kiln tail gas is the key factor affecting denitra
5、tion efficiency,ammonia escape control and catalyst plugging and wear.CFD FLUENT numerical simulation method is used to simulate and analyze the velocity field,pressure field and dust concentration field of SCR denitration system,and the optimal diversion structure of diversion grid layer+uniform fl
6、ow layer is selected,and the outlet flue structure of the system is changed and optimized.The optimal simulation results show that the maximum deviation angle between the flue gas flow line incident into the first catalyst bed and the vertical direction of the bed section is less than 10;and the coe
7、fficient of variation(Cv)of velocity uniformity of the flue gas flow field in front of the first catalyst bed is 7.7%,which is 25.8%higher than the Cv value of the velocity uniformity of the unoptimized working condition;the dust particle concentration in the inlet area in front of the first catalys
8、t bed is 0.050.06kg/m3.This optimization result can smoothly incident into the flue gas flow line of the catalyst bed,uniformly distribute the system velocity flow field,realize the full mixing of ammonia and flue gas,thus reducing the ammonia escape rate,effectively avoid the blockage and wear of t
9、he catalyst bed,and finally achieve the improvement of denitration efficiency.Key words:SCR;simulation analysis;diversion optimization;coefficient of variation of uniformity收稿日期：2022-12-19第一作者：韩玉维，1988年生，硕士，主要从事水泥、钢铁及电力行业的脱硫、脱硝、除尘等环保项目的流体分析工作，E-mail：工程应用Engineering Application71总165期 2023.03 混凝土世界国H
10、omer City电厂SCR装置的性能问题主要原因是烟气和氨的混合不均匀和局部烟气流速过低，经过流场模拟和物理模型验证方案的改造，在完成后达到了目标的脱硝效果；陈冬林等5-6的研究说明在锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况下风烟道的结构及其导流板的布置对脱硝反应器的脱硝效率以及氨逃逸率具有影响，合理的管道和导流板布置，有利于提高脱硝反应器的脱硝率和降低氨逃逸率；沈凡等7对反应器内直板、弧度板、弧度直板3种形态导流板进行模拟比较，得出在直角弯道处添加直弧形状的导流板整流效果最理想，与现在主流的导流板设计思路相符；毛剑宏等8-9模拟研究了SCR反应器变截面烟道处导流板的布置，分析了导流板布置角度对流
11、场分布的影响；Xu YY等10采用现场试验的方法，对首层催化剂入口进行测试，分析造成磨损的原因，结果显示SCR烟气入口流场不均匀的分布是造成磨损的主要原因，之后他们在烟气入口处设置了一系列导流板，改善了流场分布，有效防止了催化剂磨损。以上国内外学者根据在实际工程应用中遇到的相应工程问题，对脱硝系统的相关结构位置点进行了针对性的研究，但并未从脱硝系统的整体方面进行优化分析。本文基于上述研究分析，利用计算流体力学软件CFD FLUENT，从整体上对SCR脱硝系统进行更为具体详细的流场模拟分析。结合脱硝系统的实际情况，通过分析反应器系统内部的速度场、压力场和尘粒浓度场，有针对性地进行导流均流方案设计
12、。本次模拟分析的优化导流方案，能够提高流场均匀度，促进脱硝反应器内氨气和烟气的充分混合，进而降低氨逃逸率，同时避免催化剂堵塞和磨损，提升脱硝效率。1 研究方案1.1 研究目标SCR脱硝反应系统的行业技术标准，通常是用相对标准偏差（CV）值来表示SCR脱硝反应器系统内的流场均匀度。其中CV值指的是一种量度数据分散程度的标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度。CV值越小，数据值偏离平均值的程度越小，偏离的数据点数就越少，流场均匀度就越高。对于SCR系统流场的模拟，一般要求为：（1）系统反应器最上层催化剂床层入口截面的速度场CV值低于15%；（2）系统反应器最上层催化剂床层入口截面的氨气浓度场CV
13、值低于5%（本次模拟分析由于氨气在进SCR系统装置之前，经过了旋风筒旋流混合，氨气浓度场分布较为均匀，故氨气浓度场CV值不在本次模拟分析目标范围内）；（3）速度流线与催化剂表面垂直方向线最大偏角小于10。CV值的计算方法见式（1）：（1）式中，CV为相对标准偏差；为标准偏差；为截面数据平均值；i为各取样点数据值；n为取样点数。1.2 几何模型确定以石家庄某水泥厂脱硝改造项目的SCR脱硝反应器系统为原型，按照与实际结构比例为1 1的尺寸建立三维几何模型。原始方案和优化方案这2种工况下的脱硝系统模型如图1所示；原始方案和优化方案这2种工况下的SCR反应器出口结构模型如图2所示。1.3 计算模型选定
14、CFD为计算流体动力学的英文简称，是利用专门的计算机软件对固体边界两侧流体通过数值模拟分析，得图 1 SCR脱硝系统三维模型（左：原始方案；右：优化方案）工程应用Engineering Application72CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165出传热及流动性能优劣的一个学科，FLUENT作为CFD中的一种通用软件，被普遍应用于与流动换热相关的模拟和分析中。根据研究对象的特点与研究目的，从软件中选择适宜的计算模型进行分析计算。本次模拟分析所采用的计算模型如下：1）气流在SCR反应器内湍流流动的计算，采用标准k-湍流模型，该模型具有良好的稳定性、经济性及较高的计算精度。在
15、直角坐标系下，基本控制微分方程见式（2）式（4）。连续性方程：（2）动量方程：（3）标准 微分模型：（4）在式（2）式（4）中，为动力粘度系数；为广义源项；为通变量；为混合气体密度。相关控制微分方程所对应的、表达式具体形式见表1。2）催化剂床层的计算采用多孔介质模型，依据实际催化剂特性计算模型阻力系数及通孔率，进而模拟分析催化剂床层对烟气流体的阻滞作用。3）烟气中尘粒流的模拟采用DPM离散相模型进行计算，根据实际参数设置相应边界条件，进而分析离散相尘粒与连续相烟气流之间的相互作用。1.4 网格划分网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量的好坏对CFD计算精度和计算效率有重
16、要的影响。本次模拟网格划分过程分三步，一是建立几何模型：在此过程中，根据计算需要对几何模型进行适当简化。二是划分网格：几何模型采取特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分。对于实际SCR脱硝系统的不同内部结构，采取不同形式的网格，如圆变方或异形体等不规则结构，采取四面体非结构化网格进行划分；六面体或者圆柱体等规则结构，采取六面体或者棱柱形结构化网格进行划分。三是指定边界区域：指定模型每个区域的名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。模型网格划分如图3所示。1.5 边界条件本次模拟分析的模型有烟气入口、烟气出口以及壁面3种边界，其中烟气入口选用速度入口边界形式；烟气表 1 相关控制微分方程表达式方程 连续方程100X-动量方程uY-动量方程vZ-动量方程w湍动能方程k 湍动能耗散率方程图 2 SCR反应器出口烟道结构形式（左：原始方案；右：优化方案）工程应用Engineering Application73总165期 2023.03 混凝土世界出口选用压力出口边界形式；壁面选用无滑移、无热传导的WALL类型。入口边界条件的具体内容见表2。表 2 入口边