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

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(chǎng)模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jìn)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(jìn)入第一層催化劑前溫度、速度分布的均勻性和煙氣進(jìn)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(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究反應(yīng)器內(nèi)煙氣的流動(dòng)分布，在此基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)流板及整流格柵進(jìn)行簡(jiǎn)化，在保證混合氣體進(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化了SCR反應(yīng)器的運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]煙氣脫硝SCR性能優(yōu)化

由于近幾年我國(guó)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(duì)空氣質(zhì)量的影響越來越大。目前對(duì)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(cái)產(chǎn)損失，而NO就是導(dǎo)致酸雨的主要因素之一，NO還會(huì)參與到光合反應(yīng)當(dāng)中形成化學(xué)煙霧。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(kuò)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?qiáng)烈刺激性的氣體，它的毒性是NO的5倍之多，一旦被人體吸入，就會(huì)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(huì)使呼吸道黏膜粘連，從而導(dǎo)致肺癌的發(fā)生。

NO2不僅對(duì)于人體的中樞神經(jīng)和呼吸道有巨大的危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)心、肝、腎產(chǎn)生非常大的損害。不同濃度的NO2會(huì)對(duì)人身健康產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)濃度達(dá)到5.0ppm時(shí)就會(huì)聞到帶有刺激性的氣味，當(dāng)達(dá)到50ppm時(shí)，人體會(huì)在1分鐘之內(nèi)產(chǎn)生呼吸異常，并且鼻子會(huì)聞到帶有強(qiáng)烈刺激性的氣味，當(dāng)NO2濃度達(dá)到200ppm時(shí)，NO2被吸入之后，人體會(huì)在瞬間死亡，由此可以想象NO2對(duì)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?dú)馀c水，其氮氧化物脫除效率高，適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境保護(hù)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(guó)內(nèi)燃煤電廠氨氣與煙氣的流量比懸殊，在此條件下實(shí)現(xiàn)氨氣與煙氣快速均勻混合是一項(xiàng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)煙氣脫硝反應(yīng)器整流裝置的優(yōu)化進(jìn)行了很多研究，為保證裝置運(yùn)行的最佳經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境適應(yīng)性，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)必須遵循系統(tǒng)壓力損失最小、導(dǎo)流片數(shù)最少、流場(chǎng)分布均勻等原則。

1　研究對(duì)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(duì)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(jí)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(gè)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(duì)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(gè)數(shù)約300萬個(gè)。數(shù)值模擬過程采用以下簡(jiǎn)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(yùn)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(dòng)特性和質(zhì)量、各組分濃度、動(dòng)量、能量的分布。模型的邊界條件為與上級(jí)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(chǎng)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(duì)比圖3和圖2結(jié)果，方案2流場(chǎng)分布比方案1更均勻、速度矢量角度更優(yōu)，工程實(shí)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(jí)省煤器出口處連接煙道彎頭是異形彎頭，受到現(xiàn)場(chǎng)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(jì)比選了兩個(gè)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(gè)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(jì)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(shí)際運(yùn)行，上級(jí)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(yùn)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(yùn)行記錄（部分）（鍋爐有上低氮燃燒）：①當(dāng)蒸汽流量為 65t/h時(shí)，NOX進(jìn)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(shí)，NOX進(jìn)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(shí)，NOX進(jìn)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(shí)，NOX進(jìn)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(shí)際出發(fā)，結(jié)合數(shù)值模擬分析，實(shí)現(xiàn) SCR脫硝反應(yīng)器內(nèi)整流裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)通過導(dǎo)流板設(shè)計(jì)參數(shù)的修改，可知在特定的工況下，優(yōu)化了流場(chǎng)的分布，所以運(yùn)用FLUENT流場(chǎng)模擬能夠?qū)?dǎo)流板和整流裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Pudasainee D, Lee S J, Lee S H, et al. Effect of selective catalytic reactor on oxidation and enhanced removal of mercury in coal fired power plants[J]. Fuel, 2010, 89(4): 804-809.

[2] Yang Hongmin, Pan Weiping. Transformation of mercury speciation through the SCR system in power plants[J]. Journal of Environmental Sciences, 2007, 19(2): 181-184.

[3] 楊衛(wèi)娟, 周俊虎, 劉建忠, 等. 選擇催化還原SCR脫硝技術(shù)在電站鍋爐的應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2005(9): 10-14.

[4] 孟德潤(rùn),趙翔,楊衛(wèi)娟, 等. 200MW水煤漿鍋爐的低NOx燃燒試驗(yàn)[J]. 動(dòng)力