福建鑫澤環(huán)保設(shè)備工程有限公司　葉貴峰

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SCR煙氣脫硝反應(yīng)器整流裝置和煙道導(dǎo)流板采用流場模擬優(yōu)化設(shè)計

福建鑫澤環(huán)保設(shè)備工程有限公司葉貴峰

[摘要]SCR煙氣脫硝反應(yīng)器的性能主要取決于進入脫硝反應(yīng)器內(nèi)的NOx與NH3的混合均勻度及混合氣體在進入第一層催化劑前溫度、速度分布的均勻性和煙氣進入催化劑前流向角偏。該文以某燃煤鍋爐煙氣脫硝工程的SCR裝置為研究對象，采用數(shù)值模擬方法研究反應(yīng)器內(nèi)煙氣的流動分布，在此基礎(chǔ)上，對導(dǎo)流板及整流格柵進行簡化，在保證混合氣體進入第一層催化劑前的流向角偏差小于10°，提高了脫硝反應(yīng)器的性能，進一步優(yōu)化了SCR反應(yīng)器的運行。

[關(guān)鍵詞]煙氣脫硝SCR性能優(yōu)化

由于近幾年我國空氣質(zhì)量日益惡化，氮氧化物排放大量增加，特別是酸雨對空氣質(zhì)量的影響越來越大。目前對于生態(tài)環(huán)境危害最大的有害氣體就是氮氧化物，其中包括 NO、NO2、N2O3、N2O4等。近些年來，酸雨降臨的次數(shù)越來越多，造成不可估量的財產(chǎn)損失，而NO就是導(dǎo)致酸雨的主要因素之一，NO還會參與到光合反應(yīng)當(dāng)中形成化學(xué)煙霧。據(jù)統(tǒng)計，南極上空臭氧空洞在2000年就達(dá)到了2800萬km2，其面積如果不能夠得以有效控制，空洞極有可能繼續(xù)擴大，而 NO就是造成臭氧層破壞的主要元兇之一。NO在大氣層低空被氧化成NO2，NO2是一種紅棕色并且?guī)в泻軓娏掖碳ば缘臍怏w，它的毒性是NO的5倍之多，一旦被人體吸入，就會很容易和血液融合，使血液中的氧氣含量下降導(dǎo)致缺氧從而引起中樞神經(jīng)麻痹，還會使呼吸道黏膜粘連，從而導(dǎo)致肺癌的發(fā)生。

NO2不僅對于人體的中樞神經(jīng)和呼吸道有巨大的危害，同時也會對心、肝、腎產(chǎn)生非常大的損害。不同濃度的NO2會對人身健康產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)濃度達(dá)到5.0ppm時就會聞到帶有刺激性的氣味，當(dāng)達(dá)到50ppm時，人體會在1分鐘之內(nèi)產(chǎn)生呼吸異常，并且鼻子會聞到帶有強烈刺激性的氣味，當(dāng)NO2濃度達(dá)到200ppm時，NO2被吸入之后，人體會在瞬間死亡，由此可以想象NO2對人體的危害是多么巨大。

選擇性催化還原法煙氣脫硝(Selective Catalytic Reduction, SCR)是在催化劑作用下，以氨為還原劑將煙氣中氮氧化物分解成氮氣與水，其氮氧化物脫除效率高，適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護要求，因而得到了電力行業(yè)的高度重視和廣泛應(yīng)用[1~5]。在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中，氨氣必須與煙氣充分、均勻混合，才能確保其和反應(yīng)物(煙氣中的氮氧化物)充分結(jié)合。而一般國內(nèi)燃煤電廠氨氣與煙氣的流量比懸殊，在此條件下實現(xiàn)氨氣與煙氣快速均勻混合是一項挑戰(zhàn)，由此，煙氣脫硝反應(yīng)器整流裝置的優(yōu)化具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對煙氣脫硝反應(yīng)器整流裝置的優(yōu)化進行了很多研究，為保證裝置運行的最佳經(jīng)濟性和環(huán)境適應(yīng)性，在優(yōu)化設(shè)計方案時必須遵循系統(tǒng)壓力損失最小、導(dǎo)流片數(shù)最少、流場分布均勻等原則。

1　研究對象和物理模型

本文以無錫能達(dá)100t/h煤粉鍋爐煙氣脫硝反應(yīng)器為模擬對象，其結(jié)構(gòu)如圖1。該SCR系統(tǒng)由煙道、催化劑反應(yīng)器構(gòu)成。入口煙道連接上級省煤器出口和反應(yīng)器兩部分，豎直煙道高11m，距反應(yīng)器1.8m，噴氨格柵布置在豎直煙道內(nèi)，在3個煙道轉(zhuǎn)彎處及催化劑反應(yīng)器上方布置導(dǎo)流板及整流裝置。

圖1　脫硝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

建立物理模型后，對煙道和反應(yīng)器采用四面體結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，在導(dǎo)流板及整流裝置處細(xì)化網(wǎng)格，網(wǎng)格個數(shù)約300萬個。數(shù)值模擬過程采用以下簡化假設(shè)：系統(tǒng)絕熱；系統(tǒng)無漏風(fēng)；不考慮化學(xué)反應(yīng)；煙氣及還原劑氣體均為理想氣體。

準(zhǔn)κ-ε方程求解，運用質(zhì)量守恒方程、N-S方程及能量守恒方程描述煙道內(nèi)的流動特性和質(zhì)量、各組分濃度、動量、能量的分布。模型的邊界條件為與上級省煤器出口相連的煙氣入口速度為5.21m/s，溫度653K；與反應(yīng)器相連的煙氣入口速度為14.6m/s，溫度653K。

2　FLUENT流場的數(shù)值模擬結(jié)果

煙道和反應(yīng)器內(nèi)如圖 2所示的導(dǎo)流板和整流裝置布置方案 1，其中弧形導(dǎo)流板無伸出直段；煙道和反應(yīng)器內(nèi)布置如圖3所示的導(dǎo)流板和整流裝置布置方案2，其中弧形導(dǎo)流板有伸出直段，整流裝置最右端增加一塊隔板。對比圖3和圖2結(jié)果，方案2流場分布比方案1更均勻、速度矢量角度更優(yōu)，工程實際選用方案2布置。

圖2　煙道到反應(yīng)器內(nèi)的混合氣體流動速度分布（弧形導(dǎo)流板無伸出直段）

圖3　煙道到反應(yīng)器內(nèi)的混合氣體流動速度分布(弧形導(dǎo)流板有伸出直段)

圖4是反應(yīng)器第一層催化劑入口截面處的混合氣體流速角度分布示意圖，截面上煙氣流速角度在86°～93°范圍內(nèi)，角偏差小于10°的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

圖4　第一層催化劑入口截面處的混合氣體流速角度分布

由于該燃煤鍋爐脫硝工程是改造工程，上級省煤器出口處連接煙道彎頭是異形彎頭，受到現(xiàn)場情況限制，截面尺寸變化較大。為保證煙氣流速均勻，降低壓力損失，減少彎頭積灰狀況，需設(shè)置導(dǎo)流板，本工程設(shè)計比選了兩個方案：煙道彎頭內(nèi)布置如圖5所示的導(dǎo)流板布置方案1，煙道彎頭內(nèi)布置如圖6所示的導(dǎo)流板布置方案2，其中右邊導(dǎo)流板水平伸出直段縮短50mm。比較兩個模擬結(jié)果可知，方案1最高流速為20.1m/s, 方案2最高流速為18.6m/s，方案2布置壓力損失更小，本工程設(shè)計選用方案2布置方式。

圖5　煙道彎頭內(nèi)的煙氣速度分布

圖6　煙道彎頭內(nèi)的煙氣速度分布

通過本工程兩年多的實際運行，上級省煤器出口處連接煙道彎頭處積灰情況良好，無發(fā)現(xiàn)堵灰現(xiàn)象，鍋爐運行情況正常，脫硝效率達(dá)80%以上或NOX排放濃度≤100mg/Nm3。

以下為100t/h（5#）鍋爐脫硝運行記錄（部分）（鍋爐有上低氮燃燒）：①當(dāng)蒸汽流量為 65t/h時，NOX進口濃度452 mg/Nm3，NOX出口濃度75 mg/Nm3；②當(dāng)蒸汽流量為60t/h時，NOX進口濃度609 mg/Nm3，NOX出口濃度106 mg /Nm3；③當(dāng)蒸汽流量為92t/h時，NOX進口濃度213 mg/Nm3，NOX出口濃度73 mg /Nm3；④當(dāng)蒸汽流量為74t/h時，NOX進口濃度352 mg/Nm3，NOX出口濃度84 mg /Nm3。

3　結(jié)束語

本文從工程實際出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析，實現(xiàn) SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)整流裝置的優(yōu)化設(shè)計，使反應(yīng)器第一層催化劑入口截面處的混合氣體流速角偏差小于 10°的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；同時通過導(dǎo)流板設(shè)計參數(shù)的修改，可知在特定的工況下，優(yōu)化了流場的分布，所以運用FLUENT流場模擬能夠?qū)?dǎo)流板和整流裝置優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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