（流体机械及工程专业论文）scr反应器入口段流场均匀性的数值模拟研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 以某6 0 0 m w 燃煤电厂s c r 反应器为对象建立模型，采用先进的流体动力学计 算软件a n s y s c f x i o 0 对变工况下多种导流板的设计和布置方案进行了数值模拟。 通过定义一些无量纲参数，提出了反应器上部弧形导流板空间位置的描述方法，为 模型的缩放和重构提供了数据指导。利用速度矢量图、分布图等对各方案的模拟结 果进行了定性分析。为了量化流场的均匀性程度，引入了相对标准偏差的概念，方 便了对模拟结果的定量比较。结合对系统压降的分析，最终确定了优化的导流板布 置方案，为揭示s c r 反应器流场的运动规律及导流装置的设计提供了参考。 关键词：s c r ，导流板，流场均匀性，数值模拟 a bs t r a c t t h en u m e r i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h es c rr e a c t o ro fa6 0 0 mwc o a l - f i r e d p o w e rp l a n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t o nv a r i o u sd e s i g n i n ga n d d i s p o s i n gs c h e m eo ff l u i dg u i d i n gv a n eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b yu s i n gt h e a d v a n c e dc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) s o f t w a r ea n s y s - c f x10 0 am e t h o d h a sb e e np r o p o s e df o rd e s c r i b i n gt h el o c a t i o no fa r cs h a p ef l u i dg u i d i n gv a n ei nt h eu p p e r r e a c t o r ，w i t hs o m ed i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r sd e f i n e d ，w h i c hp r o v i d e sd a t ar e f e r e n c ef o r m o d e ls c a l i n ga n dr e c o n s t r u c t i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l yb y r e v i e w i n gv e l o c i t yv e c t o rp l o t ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o np l o ta n de ta 1 i no r d e rt oq u a n t i f yt h e f l u i df i e l du n i f o r m i t y ，r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o nw a si n t r o d u c e d ，w h i c hw e l lf a c i l i t a t e s t h eq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t s c o m b i n e dw i t hr e v i e wo ns c r s y s t e m p r e s s u r ed r o p ，o p t i m i z e dd i s p o s i n gs c h e m eo ff l u i dg u i d i n gv a n ew a sf i n a l l yd e t e r m i n e d ， w h i c hc o u l ds e r v ea sar e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gf l u i dg u i d i n gd e v i c e ，a n df o rr e v e a l i n gt h e f l u i dm o t i o np r i n c i p l ei ns c rr e a c t o r z h o uj i a n ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：s c r ，f l u i dg u i d i n gv a n e ，f l u i df i e l du n i f o r m i w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 以某6 0 0 m w 燃煤电厂s c r 反应器为对象建立模型，采用先进的流体动力学计 算软件a n s y s c f x i o 0 对变工况下多种导流板的设计和布置方案进行了数值模拟。 通过定义一些无量纲参数，提出了反应器上部弧形导流板空间位置的描述方法，为 模型的缩放和重构提供了数据指导。利用速度矢量图、分布图等对各方案的模拟结 果进行了定性分析。为了量化流场的均匀性程度，引入了相对标准偏差的概念，方 便了对模拟结果的定量比较。结合对系统压降的分析，最终确定了优化的导流板布 置方案，为揭示s c r 反应器流场的运动规律及导流装置的设计提供了参考。 关键词：s c r ，导流板，流场均匀性，数值模拟 a bs t r a c t t h en u m e r i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h es c rr e a c t o ro fa6 0 0 mwc o a l - f i r e d p o w e rp l a n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t o nv a r i o u sd e s i g n i n ga n d d i s p o s i n gs c h e m eo ff l u i dg u i d i n gv a n eu n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b yu s i n gt h e a d v a n c e dc f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) s o f t w a r ea n s y s - c f x10 0 am e t h o d h a sb e e np r o p o s e df o rd e s c r i b i n gt h el o c a t i o no fa r cs h a p ef l u i dg u i d i n gv a n ei nt h eu p p e r r e a c t o r ，w i t hs o m ed i m e n s i o n l e s sp a r a m e t e r sd e f i n e d ，w h i c hp r o v i d e sd a t ar e f e r e n c ef o r m o d e ls c a l i n ga n dr e c o n s t r u c t i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l yb y r e v i e w i n gv e l o c i t yv e c t o rp l o t ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o np l o ta n de ta 1 i no r d e rt oq u a n t i f yt h e f l u i df i e l du n i f o r m i t y ，r e l a t i v es t a n d a r dd e v i a t i o nw a si n t r o d u c e d ，w h i c hw e l lf a c i l i t a t e s t h eq u a n t i t a t i v ec o m p a r i s o no fs i m u l a t i o nr e s u l t s c o m b i n e dw i t hr e v i e wo ns c r s y s t e m p r e s s u r ed r o p ，o p t i m i z e dd i s p o s i n gs c h e m eo ff l u i dg u i d i n gv a n ew a sf i n a l l yd e t e r m i n e d ， w h i c hc o u l ds e r v ea sar e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gf l u i dg u i d i n gd e v i c e ，a n df o rr e v e a l i n gt h e f l u i dm o t i o np r i n c i p l ei ns c rr e a c t o r z h o uj i a n ( f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：s c r ，f l u i dg u i d i n gv a n e ，f l u i df i e l du n i f o r m i w ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 华北电力大学硕士学位论文主要符号表 主要符号表 距离，m 距离，m 线性阻力系数 二次阻力系数 相对标准偏差， 重力加速度，m s 2 角标，代表进口 角标 角标 角标 角标，代表出口 湍流动能，m 2 s 2 渗透率 经验损失系数 压力，p a 化学反应的净产生速率 雷诺准则数 无量纲间距因子；自定义源项v 流体表观速度，m s x 方向速度，m s y 方向速度，m s z 方向速度，m s 体积，m 3 动力粘度，k g ( m s ) 角度，。 效率， 角度，。 湍流动能耗散率，m 2 s 3 ：发射率 密度，k g m 3 ， 2 ， m r r ， 此 p 0， 口6 a g ， 、 o 洲七 k 厨 p r m u “ v w y a 口伊 p 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( s c r 反应器入口段流场均匀性的 数值模拟研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期：埤，兰：。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 1 丁，o l o j e l ： ，o 日期：鱼m 肇 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 能源是人类生存和发展的重要物质基础，为经济与社会的持续快速发展提供了 强大的动力与支撑作用。然而在能源的大规模消费和利用过程中，一系列环境污染 和生态破坏问题也随之产生，严重影响了社会经济与环境的协调、可持续发展。煤 炭在我国的一次能源消费结构中长期以来占主导地位，如表1 1 所示【lj ，我国历年的 一次能源消费结构中，煤炭消费占能源消费总量的比重一直在6 5 以上。据专家预 测，在今后相当长的时间内，煤炭的利用仍将在我国的能源结构中占据十分重要的 位置1 2 3 1 。 表1 - 1 中国一次能源消费结构 占能源消费总量的比重 年份 煤炭石油天然气水电、核电、风电 1 9 8 0 7 2 22 0 73 14 0 1 9 8 57 5 8l7 12 24 9 1 9 9 07 6 21 6 62 15 1 1 9 9 57 4 6l7 51 86 1 2 0 0 06 7 82 3 22 46 7 2 0 0 l6 6 72 2 92 67 9 2 0 0 26 6 32 3 42 67 7 2 0 0 3 6 8 4 2 2 22 66 8 2 0 0 46 8 02 2 32 67 1 2 0 0 5 6 9 1 2 1 o2 8 7 1 2 0 0 66 9 42 0 43 o7 2 火力发电企业是我国的原煤消费大户，有专家预计，发电用煤比例在2 0 10 年将 达到4 5 左右【4 】。火电厂在燃烧和利用煤的生产过程中，会产生一系列大气污染物， 主要有粉尘、硫氧化物、氮氧化物以及二氧化碳。其中，氮氧化物的排放控制问题 日益收到重视。燃煤电站烟气中所含的氮氧化物主要包括一氧化氮( n o ，约占9 5 ) 和二氧化氮( n 0 2 ，约占5 ) ，而n 2 0 的量很少，它们被统称为n o x 。按照形成机 理，又可以分为热力型n o x ( t h e r m a ln o 。) 、快速型n o x ( p r o m p tn o 。) 和燃料型 n o x ( f u e ln o 。) 。作为主要的大气污染物之一，n o x 对生态环境的污染危害极大， 是长期以来燃煤电站污染物排放控制的重点对象之一。 随着我国煤炭消费总量的不断增长，氮氧化物排放量呈现出快速上升的趋势，目 l 华北电力大学硕士学位论文 前已成为仅次于二氧化硫的大气污染物。据测算，我国2 0 0 0 年氮氧化物排放总量为 1 5 0 0 万吨，若不加控制，预计到2 0 2 0 年将达到2 6 3 9 万吨1 5 j 。作为氮氧化物主要排 放源的火力发电厂，其对环境造成严重破坏的现实已制约了电力工业的发展。为了 加强对环境的保护，保证电力工业与环境协调发展，我国已相继出台了燃煤电厂 大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 1 9 9 1 ) 等一系列相关的电力环保政策法规，对燃 煤发电污染物的排放作了明确的限制性规定。对n o x 排放控制的具体要求最早出现 于1 9 9 6 年，由国家环保总局颁布的火电厂大气污染物排放标准( g b l3 2 2 3 1 9 9 6 ) 对1 0 0 0 t h 及以上的锅炉提出了n o 。的控制要求，液态排渣方式的最高允许排放浓度 为1 0 0 0 m g m 3 ，而固态排渣则要求在6 5 0 m g m 3 以下。随着环保要求的日益提高，对 n o x 排放的控制要求也日趋严格，国家环保总局子2 0 0 3 年再次发布目前仍在实施的 g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 火电厂大气污染物排放标准1 6 j ，通过排放总量和排放浓度的双重 控制，更加科学合理地对火电厂n o 。的排放作了规定( 见表1 2 ) 。 表1 - 2 火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度 单位：m g m 3 时段第1 时段第2 时段第3 时段 实施时间 2 0 0 5 年1 月1 日2 0 0 5 年1 月1 日2 0 0 4 年1 月1 日 v d a f 2 0 4 5 0 燃油锅炉 6 5 04 0 02 0 0 燃油 1 5 0 燃气轮机组 燃气 8 0 注：1 ) 第1 时段包括：19 9 6 年1 2 月31 日前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批 的新建、扩建、改建火电厂建设项目。 2 ) 第2 时段包括：1 9 9 7 年1 月1 日起至本标准实施前通过建设项目环境影响报告书审 批的新建、扩建、改建火电厂建设项目。 3 ) 第3 时段包括：2 0 0 4 年1 月1 日起，通过建设项目环境影响报告书审批的新建、扩 建、改建火电厂建设项目。 日趋严格的电力环保法规和惩治措施的建立与实施为相关环保技术的发展设立 了目标，推动了环保事业的新发展。2 0 世纪8 0 年代以来，世界上许多国家围绕n o x 排放控制问题开展了大量的研究工作，提出了一系列n o 。排放控制措施与策略，产 生并发展了两大类n o x 排放控制技术，即针对燃烧过程的特点进行改进的低n o 。燃 烧技术，以及对烟气进行净化处理的烟气脱硝( 氮) 技术。但在严格的排放标准要 求下，目前国内普遍使用的低n o 。燃烧技术已经不能满足要求，而在排放要求较高 的美国、德国等发达国家，烟气脱硝技术的应用更为普遍。烟气脱硝技术中最为流 行的是选择性催化还原法( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s c r ) 和选择性非催化还原 法( s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s n c r ) 。与s n c r 法相比，s c r 法技术成熟且 脱硝效率高，一般可到达7 0 - - - 9 0 或以上1 5 】。另外，应用s c r 技术无需对现有锅 2 华北电力大学硕士学位论文 炉的燃烧设备进行改造，并且最佳工作温度范围在2 5 0 - - 一4 2 7o c 1 1 1 ，避开了高温区域， 这些优点使得s c r 技术在国际范围内的燃煤电站中得到了更加广泛的应用，也必将 成为今后我国火电厂燃煤脱硝技术的主流【5 1 。 图1 - 1s c r 结构及相对位置示意图 如图1 1 所示，s c r 系统通常布置于省煤器出口和空气预热器进口之间，通常包 括氨的储存系统、氨气喷入系统、反应器系统、省煤气旁路、s c r 旁路等。来自锅 炉省煤器的烟气在流向s c r 反应器的过程中，会与喷入烟道的还原剂n h 3 发生混合， 而s c r 反应器中布置有催化剂层，在催化剂的作用下，烟气中的n o x 与还原剂n h 3 发生化学反应，被还原为无毒无害的n 2 和h 2 0 ，化学方程式j t h - f t 4 1 4 n h 3 + 4 n o + 0 2 寸6 h 2 0 + 4 n 2 4 n h 3 + 2 n 0 2 + 0 2 岭6 h2 0 + 3 n 2 4 n h 3 + 6 n o - - 9 6 h 2 0 + 5 n 2 8 n h 3 + 6 n 0 2 _ 1 2 h 2 0 + 7 n 2 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 影响s c r 系统脱硝效率的因素众多，如反应温度、反应停留时间、氨氮摩尔比 等。另外，烟气与n h 3 的混合程度及流场的均匀性也是影响脱硝效率的重要因素之 一，反应物间良好的混合状况和均匀的流场是保证较高n o x 脱除效率的基础。若混 3u 华北电力大学硕士学位论文 合良好，烟气中的n o x 就能与n h 3 充分接触，从而为n o x 还原反应的有效进行提供 良好条件。若混合状况较差，就会发生n h 3 浓度与n o x 浓度分布不均的情况。对于 一定的n o x 分布和氨氮摩尔比设计值，就会出现某些区域n h 3 浓度不足，而某些区 域n h 3 浓度过量。n h 3 浓度不足的区域n o 。不能被完全脱除，因此，脱硝效率得不 到保证；而n h 3 浓度过量的区域就会有反应剩余的n h 3 流向空气预热器等下游区域， 从而导致所谓的“n h 3 泄漏 ，增加了下游设备腐蚀与堵塞的可能性。因此，良好的 混合显得尤为重要。同样，均匀的流场条件，即均匀的流速分布能够保证单位时间 内流经每一个催化剂孔道的反应物量相等，从而避免了部分催化剂烟气负荷过高、 部分催化剂没有充分利用的问题。 然而，在实际的运行过程中，不可能出现绝对理想的混合状况和完全均匀的流场， 但流场的均匀性状况却可以通过优化s c r 系统内导流装置的布置来达到改善的效 果。在优化布置的过程中还需要注意脱硝系统的压降，即烟气流经s c r 脱硝反应器 的压力损失，因为过高的压力降会增加引风机电耗，并影响到锅炉主机和引风机的 安全运行，所以通常要求脱硝装置的压力降小于1 0 0 0 p a 。 因此，对s c r 反应器流场的均匀性状况进行研究，寻求合理的设计布置方案来 促进反应物尽量充分混合以达到较好的均匀性效果，并同时满足s c r 系统压降的限 制性要求，对于提高s c r 脱硝系统的性能，以至大力推进我国今后烟气脱硝事业的 发展具有重要的现实意义和广阔的研究前景。 1 2 国内外研究现状 s c r 技术原理最早由e n g e l h a r d 公司发现并于1 9 5 7 年申请专利，在日本研制出了 如今被广泛使用的v 2 0 5 t i 0 2 催化剂后，1 9 7 9 年s c r 装置开始在燃煤锅炉上投入商 业应用【5 】，而我国也从2 0 世纪8 0 年代就开始了s c r 技术的研究。然而国内外所开 展的关于提高s c r 系统脱硝性能的设计和实践研究多集中于催化剂、还原剂喷射系 统等，而对于s c r 反应器流场均匀性专门进行研究的文献却不多见。 为改进反应物的混合以及反应器流场的均匀性，国外许多大公司都进行了专项技 术的研发工作，取得了良好成果，并在商业上获得了成功应用。例如，奥地利 e n v i r g y 公司开发出了先进的s c r 氨喷射混合系统，每个氨气喷嘴部分稀释氨气 的流速都可以通过1 个安装在供气管道上的流量调节装置来控制，另外，每个喷嘴 的下游都装有1 个静态混合叶片，以确保氨气和烟气混合均匀l i 引。f b e 公司( 德国 费赛亚巴高科环保公司) 也开发出了拥有自主专利的v o r t e xm i x e r ( 涡流混合器) 氨 涡流混合技术，可以优化烟气和氨的混合状况；f b e 公司还采用烟气流动模型辅助 设计确定了独特的平衡导流板的设计，使s c r 反应器入口段的烟气能够呈均匀分布。 德国b a l c k ed u r r 公司( 巴克一杜尔) 开发了d e l t aw i n g ( 三角翼) 静态混合 4 华北电力大学硕士学位论文 器，原理是在环形、椭圆形或三角板( 板与气流呈一定角度放置) 的前缘会产生广 延恒温态的漩涡，通过漩涡的强力旋转和卷吸，可以在干流方向上混合不同密度、 温度和浓度的介质，并能够在最短的烟道里确保n h 3 和n o x 与烟气的均匀混合。 国内也有一些研究机构及高校在优化和改进s c r 脱硝装置的均流及混合技术方 面开展了相关的研究工作，取得了一定的成果。在研究的形式和手段上，有的采用 传统的搭建物理试验平台的方法，有的引入了先进的流体动力学( c f d ) 计算软件， 针对研究对象建立数值计算模型，通过数值模拟的方法对s c r 系统进行分析研究， 从而达到改进和优化的目的。 国家电站燃烧工程技术研究中心的董建勋等人【1 4 】以某电厂即将实施烟气脱硝改 造的1 0 0 m w 燃煤发电机组为应用对象，建立了s c r 脱硝反应器流动冷态试验装置， 对两种不同的反应器均流结构和自行开发的还原剂混合装置进行了试验研究，并针 对速度均匀性试验工况进行了流体动力学( c f d ) 数值模拟。研究表明，一种具有倾 斜项部结构的反应器，在加装倾斜导流叶片和整流层后，获得了较好的流场均匀性 分布。同时发现，在导流板布置相同的情况下，较高的整流层布置方式可以改善速 度分布的均匀性。另外，实测结果的标准偏差与数值模拟结果的标准偏差基本相符。 文献【1 5 】以一个实际反应器的设计方案为对象，对烟气中反应物浓度分布不均匀 对s c r 脱硝性能的影响进行了模拟分析。假设烟气中n o x 分布均匀，氮分布不均匀， 并假定氨氮摩尔比的空间分布是一个遵循均匀分布的随机变量。模拟计算结果表明， 烟气中氨分布的不均匀性对脱硝装置的脱硝效率和氨逃逸有显著影响。平均脱硝效 率随氨氮摩尔比相对偏差的增大而减少，平均氨逃逸随氨氮摩尔比偏差的增大而增 加，氨氮摩尔比相对偏差小于1 0 时，平均脱硝效率和平均氨逃逸与设计值的偏离 不太大。 美国燃烧技术公司的蔡小峰等人f i6 j 以美国a e ss o m e r s e t 电厂6 7 5 m w 的s c r 系 统为几何原型，将s c r 反应器入口段烟道简化为二维模型，使用商业计算软件 c f x 5 7 1 ，对s c r 脱硝反应器入口段烟气的速度场进行了数值模拟研究，为使烟道 出口的烟气速度场尽量均匀，采取了在弯道处加装导流板的方法，根据模拟结果的 比较和分析，发现导流板对于弯管所引起的流场分离现象有明显的抑制作用，将直 接弯道转化为1 4 圆弧形弯道，对于消除低速区有很大的作用；另外，水平烟道内直 段引流板对改进流场有很好的作用，并且烟道出口流场的均匀性比未加导流板时有 了很大改善。 东南大学的沈丹等人【l7 】以6 0 0 m w 电厂s c r 反应器中的导流板为研究对象，采 用f l u e n t 软件，对反应器内三种不同形态的导流板进行了反应器内流场的数值模拟， 得出了较为合适的导流板形态及流场，同时还对在反应器内加入整流器前后的流场 进行了比较。研究发现，在s c r 反应器中全部采用直导流板时，反应器中会存在多 s 华北电力大学硕士学位论文 种涡流，而在反应器上部全部采用非均匀的弧度直板导流板时，流场的均匀性效果 相对较好；另外，在设计方案中布置2 8 3 3 个整流格子后，发现流场均匀分布的效 果改善明显。 浙江大学的张彦军等人【l8 】利用f l u e n t 软件建立了s c r 脱硝反应器入口烟道的仿 真模型，对五种不同的导流板设计方案进行了数值模拟。其中一个方案还仿照锅炉 的折焰角对s c r 系统上升烟道的拐角处进行了设计，模拟结果表明，上升烟道拐角 处设计成折焰角并没有使s c r 反应器上部的流场得到明显改善，反而使烟道的结构 变得更加复杂；另外，加装具有圆弧转角的导向板设计在s c r 反应器入口处产生了 较均匀的流场，可以作为烟道设计的参考。 浙江融智能源科技有限公司的徐芙蓉【1 9 】等人结合三河电厂二期2 3 0 0 m w 机组 的s c r 脱硝项目，使用有机玻璃并按照与原型装置l ：l5 的比例制作了试验模型，通 过冷态模拟试验以及数值模拟相结合的方法，对脱硝装置烟道中的整流装置、均流 格栅( 形式、数量、位置等) 、喷氨格栅( 喷嘴大小、间距及布置形式，控制模式等) 以及导流板等装置进行了优化设计。结果显示，在a i g 上游处和催化剂入口处，加 装导流板后流场的速度均匀性都得到明显改善。同时，通过冷态试验与模拟结果的 比较，验证了数值模拟结果的正确性。 国内外的相关研究已经表明，s c r 脱硝装置中导流板的结构及布置方式对于流场 的均匀性程度有重要影响，改进脱硝装置中导流板的结构及布置方式对于提高s c r 脱硝装置的性能具有重要的现实意义。本文将借鉴前人的研究成果，围绕这一问题 开展深入的研究工作。 1 3 本文主要研究工作内容 本文以某6 0 0 m w 锅炉的s c r 脱硝反应器系统作为研究对象，根据现场结构数 据建立了s c r 反应器及相连烟道的几何模型，采用流体动力学计算软件c f x l 0 0 ， 使用数值模拟的方法对反应器入口段流场的均匀性程度进行了研究，并对s c r 系统 的压降进行了分析，主要研究工作内容包括以下方面： ( 1 ) 在b m c r 工况下，对布置在烟道和反应器上部的导流板进行设计和优化， 研究多种不同的布置方案对流场均匀性的影响，结合模拟结果的图形化显示，对不 同方案进行定性分析： ( 2 ) 对流场的均匀性程度进行量化，对各个导流板布置方案的模拟结果进行 定量比较，综合评价各方案下流场的均匀性状况； ( 3 ) 分析各种导流板布置方案下s c r 系统催化剂层压降、烟道压降以及总压 降的大小，确保优化方案的压降值在允许的设计值范围内； 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 )研究工况变化时，s c r 反应器上部多种不同的导流板布置方案对流场均 匀性的影响。寻求合理的导流板空间位置的参数化描述方法，为各方案模型的缩放 或重构提供重要的数据参考。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章c f d 数值模拟软件介绍 随着计算机技术的飞速发展，以及数值模拟算法精度和效率的不断提高，数值 模拟方法已被广泛应用于解决各种各样的工程问题。c f d 数值模拟软件通常具备三 项功能，分别为：前处理( p r e p r o c e s s i n g ) ，计算和结果数据生成( c o m p u t ea nr e s u l t ) ， 以及后处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。其中前处理的功能通常是生成计算模型所必须的数据， 这一过程一般包括建立实体模型和生成网格等；在前处理完成的基础上，c f d 的求 解器( s o l v e r ) 将根据具体的模型完成相应的计算任务，并生成结果数据；后处理的 功能通常是对生成的结果数据进行组织和诠释，一般以直观的可视化图形、图表的 形式给出，也可将特定数据导出以供进一步分析和处理。 本课题中使用的c f d 数值模拟软件包括i c e mc f d l 0 0 和c f x l 0 0 。以下分别 对这两款软件作简要介绍。 2 1 功能强大的前处理软件ic e mc f d i c e mc f d 作为a n s y s 旗下的一款产品，以其高效、高质的网格生成技术所著 称，具有世界顶级的c f d 前、后处理功能，可为c f x 、f l u e n t 等全球流行的c f d 软 件提供可靠的分析模型。网格生成技术是影响c f d 计算速度和精度的重要因素之一， a n s y s i c e mc f d 强大的网格划分功能可满足c f d 对网格划分的严格要求，其中包 括：边界层网格自动加密、流场变化大的区域网格局部加密、网格自适应( 可用于 激波捕捉、分离流模拟等) 等。为适应不同情况的需要，i c e mc f d 提供了丰富的网 格形式，包括： 四面体智能网格：快速形成四面体网格 三棱柱边界层网格：在四面体网格的基础上快速生成三棱柱边界层网格 六面体网格雕塑：在复杂结构中构造子块拓扑空间( b l o c k ) ，可将任意复杂 的几何体划分成映射六面体网格 四六面体混合网格：在过渡区自动生成金字塔单元 0 g r i d 网格技术：自动生成六面体边界层单元 自动六面体：对复杂程度不高的几何体自动生成六面体网格 i c e mc f d 除了提供其它软件具有的普通的前后处理功能外，强大的c a d 模型 修复能力、独特的网格“雕塑技术以及网格编辑技术是她的几大特点。 几何模型修复 i c e mc f d 的一个突出特点就是可以轻松处理来自不同c a d 模型的不完整曲 r 华北电力大学硕士学位论文 面，解决了网格生成的后顾之忧。i c e mc f d 可以自动诊断并以颜色显示几何拓扑关 系，自动清理重合对象，提供大量几何简化和修复工具处理曲线、孔、曲面、装配 面、缝隙等局部细小特征，确保修复后的模型生成高质量的网格。除了提供了c a r l a 、 u g 、p r o e 、s o l i d w o r k s 、i - d e a s 等目前比较流行的c a d 建模软件的直接接口外，i c e m c f d 还支持p a r a s o l i d 、s t e p 、i g e s 、d w s 等许多标准文件类型。此外，c a d 软件 中的参数化几何造型工具可与i c e mc f d 中的网格生成、后处理以及网格优化等模 块直接连接，大大缩短了生成网格的时间。 网格雕塑技术 与雕塑过程相类似，i c e mc f d 划分网格的一种方法就是先将任意复杂的几何体 划分为多个长方体( b l o c k ) 的组合，然后对这些长方体划分网格，再投射到复杂的 几何体表面上。这种方法使得在进行网格划分之前就对整体的网格情况有了正确的 把握。 网格编辑技术 网格编辑是网格生成软件必不可少的一项功能，比如网格质量检查、网格变换、 网格节点处理等，i c e mc f d 不但提供了丰富的网格编辑技术，其灵活性在同类软件 产品中也很少发现。她的网格装配功能可以实现多零部件之间网格的铆接、螺栓连 接、点焊、焊缝、嵌入融合等自动化的高效网格处理。 、 此外，i c e mc f d 提供目前几乎所有c f d 求解器和大部分c a e 程序的接口，选 择i c e mc f d 来建立网格是一种一劳永逸的做法。i c e mc f d 软件以其强大的技术 优势，在航空、航天、汽车、船舶、核、能源等众多领域发挥着重要的作用，近十 多年一直在c f d 前处理市场中占主导地位。无论c f d 分析师使用的是何种求解器， i c e mc f d 始终是公认的功能最完善的前处理工具。 2 2a n s y s - c f x 软件简介 c f x 由英国a e a 公司开发，于2 0 0 3 年归入a n s y s 旗下，是全球第一个通过 i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型商业c f d 软件，也是全球第一个在复杂几何、网格、求解 这三个c f d 传统瓶颈问题上均获得重大突破的商业c f d 软件。作为同类产品中的优 秀代表，c f x 具有以下一些特点： 精确的数值方法 数值计算的精确性是c f d 软件得以信赖和生存的基础。c f x 采用了基于有限元 的有限体积法，对六面体和四面体网格分别采用2 4 点插值和6 0 点插值，远高于单 纯有限体积法的6 点插值和4 点插值。这样，c f x 既吸收了有限元法的数值精确性， 同时也保证了有限体积法的守恒特性。 9 华北电力大学硕士学位论文 独特的网格拼接技术 c f x 不仅能有效、精确地表达复杂的几何形状，借助于她独特的g g i ( g e n e r a lg r i d i n t e r f a c e ) 网格接口，还可以任意连接四面体、六面体等同种类型或不同类型的网格， 甚至可以连接由不同前处理软件生成的不同格式的网格。通过对这些独立网格模块 的拼接，用户即可构造所需的几何图形。在每一个模块内，网格的生成可以确保迅 速、可靠地进行。 。 高效稳定的求解 c f x 具有有自动时间步长控制、s i m p l e 算法、代数多网格、i c c g 、l i n e 、s t o n e 和b l o c ks t o n e 解法。通过采用全隐式多网格耦合求解技术，可以同时求解动量方程 和连续性方程，克服了传统算法需要“假设压力项求解修正压力项”的反复 迭代过程，在计算速度和稳定性方面比传统算法要高出l 2 个数量级。此外，c f x 提供优异的并行计算功能，不仅局限于同种平台之间，还可以实现在w i n d o w s 、 u n i x 、l i n u x 等不同平台之间的随意并行。 丰富的物理模型 c f x 具有丰富的物理模型，可以用于模拟稳态非稳态流动、不可压缩弱可压缩 可压缩流、浮力流、多相流、非牛顿流体、化学反应、燃烧、n o x 生成、辐射、多孔 介质及混合传热等多种工程实际问题。仅湍流模型就包括k g 模型、低雷诺数k 一占 模型、r n gk 一模型、代数雷诺应力模型、微分雷诺应力模型、微分雷诺通量模型 等。多相流模型包括单体颗粒运动模型、连续相及分散相的多相流模型和自由表面 的流动模型等。 强大的c e l 语言 c f x 提供了强大的模型定义工具c f xe x p r e s s i o nl a n g u a g e ( c e l ) 。借助于c e l ， 用户无需编程，可直接使用最直观的数学表达式来定义各种复杂的物理问题和模型， 如属性函数、边界条件分布函数、非牛顿流模型、多孔介质模型、附加输运方程、 甚至湍流模型，这种高效、可靠的方式无疑为用户带来了极大的方便。 、通过近3 0 年的发展，c f x 凭借自身独特的优势，已在航空航天、旋转机械、能 源、冶金、石油化工、生物技术、环境保护等工业生产的众多领域发挥了重要作用， 并为其广大用户解决了大量的工程实际问题。 2 3 数值模拟方法的优点 在s c r 系统丌发设计的过程中，数值模拟已经成为了一个必不可少的重要环节。 传统的做法通常需要搭建物理试验平台，与之相比，数值模拟的方法具有以下一些 优点： 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 数值模拟方法所设定的模型尺寸可以与研究对象的实际尺寸完全相同，而 对于实际尺寸过大或过小的情况，物理模型则需要通过相似理论进行缩放以达到可 行的规模。 ( 2 ) 在物理试验中，为获得某些特定数据需要布置相应测点，但有时会因为环 境恶劣或其他因素导致测点布置难以实现，而数值模拟的方法就回避了这样的问题， 可以从计算结果中获得各种所需的数据。 ( 3 ) 数值模拟的方法具有很强的灵活性，可以方便地对模型进行结构和尺寸的 改动，对于设计和改造工作而言，无疑节省了大量时间和费用，这一点是物理模型 所无法比拟的。 ( 4 ) 数值模拟的方法可以精确地设定入口速度、环境温度、压力等边界条件， 而物理试验中边界条件的精确性和稳定性受到多种因素的影响。 ( 5 ) 数值模拟的方法可重复性好，即重复数值模拟实验时，只需通过参数设置， 就可以充分保证各次实验在相同条件下进行，而物理试验的每一次重复都不可能获 得完全相同的初始条件。 ( 6 ) 对于目前的商用数值模拟软件而言，数值模拟的结果都能够从不同角度和 深度以可视化的万式再现，而在物理试验过程中，即使配备了摄影、摄像器材，也 只能从有限的角度对试验的静态和动态图像进行捕捉。 ( 7 ) 数值模拟具有较高的精确性，而在物理试验的数据测量过程中，则会存在 设备或人为的误差。 ( 8 )从经济性而言，数值模拟的方法比建立实验平台所需的投资要少得多。 总之，采用数值模拟的方法对s c r 反应器的流场进行研究，要比传统的物理试 验方法节省成本和时间，然而在工程实际中，往往要求将两者相结合，从而对实际 的工程项目提供充分的、更具可靠性的指导。数值模拟的方法可以帮助减少工程设 计中的盲目性和不可预见性，必将在研究过程中发挥重要且不可替代的作用。 华北电力大学硕士学位论文 第三章s c r 反应器流场模拟的数学模型及算法 s c r 烟气脱硝技术涉及湍流流动、传热传质、多组分输运等过程，包含复杂的物 理化学反应，在数值计算之前需要用数学的方法对这些反应进行合理地描述，即选 择正确的数学模型来表达实际的过程。如果模型选择不合适的话，就不能描述真实 的状态，得到的结果也会较大程度地偏离实际情况，因此，在充分分析和掌握实际 情况的前提下，正确地选择数学模型是一个非常重要的步骤。下面就结合本文的实 际情况，对数学模型的选择做简要介绍和分析。 首先，根据论文的研究重点及研究对象的特点，本文做出了两点基本假设：首先， 本文着重研究烟道及反应器上部导流板的布置对s c r 反应器入口段流场的影响，而 不涉及s c r 过程的化学反应。应该指出，脱硝反应的化学过程几乎完全发生于反应 器的催化剂床层之中，而进入催化剂床层之前关心的重点在于烟气与还原剂n h 3 的 充分混合，忽略化学反应过程不会对流场的形成与发展产生明显影响；此外，由于 实际的s c r 化学反应过程只有微少的热量放出，对整个烟道流程及反应器内部温度 环境的影响是微不足道的，因此，可以将整个过程视为等温过程处理。 3 1 基本方程 质量守恒、动量守恒及能量守恒是所有的物理流动过程和化学反应过程都应遵 守的基本规律。在数值模拟过程中，描述这些基本规律的对应数学模型即为连续性 方程、动量方程和能量方程。各控制方程的一般形式描述如下： 连续性方程 害+ 当( 。) ：瓯 8 ta x ，、“ m ( 3 1 ) 其中源项s 。包括了从离散相加入到连续相中的质量( 比如液滴的蒸发) 和自定 义源项。 动量守恒方程 昙妇f ) + 毒b 一) = 一考+ 鼍+ 昭，+ s m c 3 彩 其中p 是静压，, o g ，和s m 分别为f 方向上的重力体积力和外部体积力( 如与离散 1 2 华北电力大学硕士学位论文 相作用产生的升力) ，源项s m 包括了其它模型的相关源项，是应力张量，如下所 不 气= ( 考+ 等 詈詈岛 通常，如果涉及热量传递过程时，还应包含能量守恒方程 ( 3 3 ) 昙江) + 毒。，江+ p ) ) = 丢卜詈一手以 m ( r ，b ) + 足c 3 削 其中k 够是有效导热系数，以是组分的扩散通量。方程右边的前三项分别描述 了热传导、组分扩散和粘性耗散带来的能量输运。源项芝包括