学术报告

作者与机构

本文的主要作者包括 Bin Hu、Cong Chen、Shouxi Jiang、Xiaosong Liu 和 Qianjin Dai，研究成果所属机构分别为徐州工程学院数学与物理学院（School of Mathematical and Physical, Xuzhou University of Technology）和东南大学能源与环境学院（School of Energy and Environment, Southeast University）。该研究发表于 Energies 期刊（2022年，第15卷，文章编号1451），文章标题为“Investigating the Optimization Design of Internal Flow Fields Using a Selective Catalytic Reduction Device and Computational Fluid Dynamics”。

研究背景

本研究聚焦于能源与工业排放控制领域，尤其是燃煤电厂的氮氧化物（NOx）排放控制和选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技术优化设计。随着中国现代工业与经济的快速发展，能源消耗迅猛增长。尽管可再生能源已经成为国家经济可持续发展的重要政策，但基于煤炭的能源结构将在未来数十年内仍占主导地位。然而，燃煤所生成的污染物（如二氧化硫、氮氧化物及粉尘）对环境的影响严重，其控制是当前环境治理的重点。

SCR 被认为是控制燃煤电厂 NOx 排放最有效的技术之一，其脱硝效率可达80-95%。然而，SCR 设备的实际运行中，影响脱硝效果的关键因素包括内部流场、温度场和还原剂（如氨气）的浓度场分布。作者通过研究发现，通过优化SCR装置内的导流板（deflector）设计，可以显著改善设备内部流场分布，从而提高脱硝效率。研究目标为利用 CFD（Computational Fluid Dynamics, 计算流体动力学）技术，优化某钢铁厂焦炉燃煤锅炉SCR系统流场的设计方案。

研究方法

研究对象与物理模型

研究对象是宝钢集团焦炉燃煤锅炉的 SCR 系统。在模拟中使用 k-ε 湍流模型对SCR装置进行三维建模，研究装置包括若干关键组件：如导流板、调节格栅及催化剂层。研究基于CFD方法，建模网格总数达到424万，其中：热风炉区域使用了50万非结构网格，氨喷射格栅区域和上导流板区域各使用了90万网格。

研究流程

研究分以下步骤展开：

1. 流场分析与无导流装置参考工况
   研究首先模拟未安装导流板（实验条件1）时设备内部流场状况。通过分析回流、侧壁加速以及催化剂上层流场的不均匀性，识别出问题区域及优化需求。

2. 优化设计方案的提出与模拟
   基于初步分析结果，提出三种优化设计策略（实验条件2至4），分别调整导流板的结构、数量及安装位置。具体优化内容包括在锥形入口段安装4块直导流板、在每个90°弯道和水平段分别设计若干弧形导流板和调节格栅。

3. 多物理场参数测量分析
   测试各工况下关键位置的速度场、温度场及 NH3/NOx 摩尔比分布情况，对比其性能是否满足均匀性要求。

   • 数据分析指标包括：速度均方差系数（CV），温度均值及偏差，NH3/NOx 摩尔比的变异系数等。
   • 最终研究还结合压降（Pressure Drop）数据校核性价比优势。

4. 实验结果验证和总结优化设计
   通过连续优化流程推导出满意的最终设计方案，并将其性能指标与原始方案及中间方案进行对比分析。

研究结果

研究结果分如下几点详细归纳：

1. 流场速度分布分析
   未安装导流板的条件1下，设备内部流场显示严重的不均匀性，回流现象显著，催化剂上层速度均方差 CV 高达33.6%，远超技术考核标准（15%）。优化后的设计显示，在条件4下，上游流场的 CV 降至6.69，催化剂上层 CV 降至11.84，符合要求。

2. 温度场分布分析
   所有实验条件下，催化剂上层的平均温度约为499 K，温度分布最大偏差在±10℃以内。优化后的条件4显示局部温度偏差显著减小，为设备稳定性提供了保障。

3. NH3/NOx 摩尔比分布
   条件1下，催化剂上游摩尔比偏差剧烈，CV 达到21.37%，造成氨气分布不均并产生氨逃逸问题。优化后的条件4，摩尔比 CV 降至4.67%，显著提高了氨与 NOx 化学反应的均匀性。

4. 设备压降性能
   优化后条件4下，SCR装置的压降为1855 Pa，性能略逊于部分中间方案（如条件2的1814 Pa），但总体处于合理范围。

研究结论

本研究通过 CFD 模拟验证了导流板优化设计对SCR系统内部流场、温度场及氨分布均匀性的显著提升效益。最终推荐的优化方案包括： - 在入口锥形段和弯道处设置直导流板及弧形导流板； - 调节格栅采用300mm高度、100mm槽间距的设计； - 最下层催化剂段增加水平与垂直导叶。

优化后的SCR系统不仅满足设计需求，还为类似工程提供了参考依据。

研究亮点

1. 创新性设计
   通过多轮数值模拟明确关键导流板参数及布局设计，提出创新的导流板组合策略。
2. 模拟深度
   模型细致程度高，计算网格超过400万，涵盖多个复杂流体力学过程。
3. 实际应用价值
   成果具有较强的工程实施指导意义，可推广至其他燃煤电厂SCR设备优化。

总结

该研究为燃煤电厂 NOx 排放控制提供了科学而系统的优化路径。研究不仅验证了流体力学优化方法的有效性，还提出了一套高性能、低成本的工业设备改造策略。未来进一步研究可集中探讨SCR催化剂与流场优化的协同效应，以及大规模工业应用中的经济性分析。