水泥廠SCR脫硝反應(yīng)器入口段流場(chǎng)數(shù)值模擬研究*

馬明亮 謝吉優(yōu) 馬 雷

北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024

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水泥廠SCR脫硝反應(yīng)器入口段流場(chǎng)數(shù)值模擬研究*

馬明亮 謝吉優(yōu) 馬 雷

北京凱盛建材工程有限公司，北京 100024

摘 要為了提高脫硝效率，必須保證SCR脫硝反應(yīng)器入口段煙氣流速均勻分布，使煙氣和催化劑均勻接觸，進(jìn)而使催化效率提高。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)SCR脫硝反應(yīng)器入口段進(jìn)行數(shù)值模擬，在模擬研究空塔時(shí)煙道內(nèi)流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地設(shè)置導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，摸索出最佳的導(dǎo)流板布置形式，分析煙氣速度分布和氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布情況，結(jié)果表明：導(dǎo)流板的加入使SCR脫硝反應(yīng)器煙道流場(chǎng)有明顯改善，煙氣進(jìn)入第一層催化劑前的速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.2%，氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.5%，均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞SCR 反應(yīng)器 數(shù)值模擬 導(dǎo)流板

0　引言

氮氧化物(NOx)是大氣污染的主要污染源之一，也是引起霧霾、光化學(xué)煙霧及酸雨等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象的主要組成物質(zhì)之一。水泥、熱力發(fā)電及其它涉及高溫燃燒的行業(yè)都是NOx排放的主要源頭。

選擇性催化還原脫硝法(SCR)是工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛的一種技術(shù)，可應(yīng)用于水泥廠、電廠及垃圾焚燒廠等，通?？墒筃Ox脫除率達(dá)到90%以上。隨著我國對(duì)NOx的控制愈來愈重視，選擇性催化還原（SCR）技術(shù)因其脫硝效率高而受到廣泛的應(yīng)用。但 SCR 的相關(guān)技術(shù)研究多集中在熱力發(fā)電等行業(yè)，對(duì)于水泥行業(yè)的 SCR 研究不論是低溫催化劑配方還是 SCR 反應(yīng)器設(shè)計(jì)都相對(duì)較少。

SCR的原理是含NOx的煙氣和氨混合均勻后通入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┲性谝欢l件下反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。以下為主要反?yīng)方程式：

保證SCR系統(tǒng)脫硝效率的關(guān)鍵在于NH3與煙氣在SCR反應(yīng)器催化劑中能否混合均勻。煙氣過高會(huì)造成催化劑的磨損，速度過低又會(huì)造成催化劑堵塞，對(duì)催化劑的性能造成影響。如果兩者濃度分布不均，例如某些區(qū)域中氨濃度過高，會(huì)造成氨反應(yīng)不完全逸出，造成二次污染；某些區(qū)域中氨濃度過低會(huì)降低脫硝性能，使NOx不能達(dá)到排放要求[1]。

由于煙氣和氨氣在催化劑入口處的均勻混合是高性能SCR系統(tǒng)的必然要求，根據(jù)相關(guān)研究導(dǎo)流板的布置可以改善煙道內(nèi)流場(chǎng)分布[2,3]，而導(dǎo)流板的形式多樣，千差萬別，只有根據(jù)所在流場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，才能有好的效果。

本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究成果，以計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT 作為平臺(tái)，以國內(nèi)某2 500 t/d級(jí)水泥窯爐脫硝改造項(xiàng)目為依托，采用數(shù)值模擬技術(shù)考察導(dǎo)流板對(duì)SCR反應(yīng)器入口截面上速度場(chǎng)的影響。

1　計(jì)算模型及求解方法

1.1 幾何模型的建立

以內(nèi)蒙古某水泥廠脫硝改造項(xiàng)目所用SCR脫硝反應(yīng)器為原型，建立SCR反應(yīng)器三維模型如圖1所示，煙氣入口界面尺寸為0.5 m×0.9 m，催化劑層橫截面尺寸為0.9 m×0.9 m。因本文主要研究入口段流場(chǎng)，為節(jié)省計(jì)算資源，只截取煙道入口段進(jìn)行研究，如圖2所示。SCR反應(yīng)器入口段加導(dǎo)流板后的三維模型見圖3。

采用ANSYS Workbench平臺(tái)Meshing工具來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約150萬。

1.2 邊界條件

在計(jì)算模擬中，對(duì)煙道內(nèi)煙氣作出假設(shè)及簡化[4]：

（1）假設(shè)煙氣入口處速度均勻分布；

（2）假設(shè)煙氣為不可壓縮氣體；

（3）煙氣和氨氣在煙道內(nèi)的混合模擬采用無化學(xué)反應(yīng)的組分運(yùn)輸模型；

圖1　SCR反應(yīng)器三維模型

圖2　SCR反應(yīng)器入口段三維模型

圖3　SCR反應(yīng)器入口段三維模型（加導(dǎo)流板）

（4）SCR反應(yīng)器內(nèi)氣流為強(qiáng)湍流流動(dòng)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型具有良好的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性及較高的計(jì)算精度。

空塔和加導(dǎo)流板后兩種模型的邊界條件一至。煙氣及氨進(jìn)口均采用速度入口邊界條件（velocity-inlet），煙氣速度為6.15 m/s，噴氨速度為50 m/s，均垂直于入口面；出口采用自由出流邊界（outflow）；壁面采用無滑移的邊界條件，固壁邊界均取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，且假設(shè)壁面絕熱；采用二階的迎風(fēng)差分格式，并且離散方程組的壓力及速度耦合運(yùn)用 SIMPLE 算法，求解方程運(yùn)用 TDMA 的逐面迭代及低松弛因子[5,6]。

2　結(jié)果與討論

根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通常用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差S對(duì)SCR反應(yīng)器內(nèi)的速度場(chǎng)與氨濃度場(chǎng)進(jìn)行分析，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差S的計(jì)算公式如下[7,8]：

式中：S—煙氣流速或氨濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；

n—某截面上的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

要求氨和煙氣混合氣進(jìn)入催化劑表面前應(yīng)滿足下面條件才能保證較高的脫硝效率: 煙氣速度的S小于15%；速度分布方向要求與催化劑表層偏角小于10°的區(qū)域大于80%；首層催化劑表面氨濃度分布的S小于5%[9]。

圖4　SCR反應(yīng)器入口段縱截面速度分布圖（空塔）

2.1 空塔時(shí)模擬結(jié)果分析

無導(dǎo)流板情況下，即從圖4空塔時(shí)SCR反應(yīng)器入口段縱截面煙氣速度分布圖可以看出：雖然較大的圓弧過彎設(shè)計(jì)可以使得煙氣在運(yùn)動(dòng)中保持一個(gè)較大的轉(zhuǎn)角，使煙氣在煙道中圓滑過渡轉(zhuǎn)向，能基本消除角落的回流區(qū)域，但煙氣每次經(jīng)過彎道時(shí)，煙道曲率半徑較大側(cè)成為低速區(qū)，曲率半徑較小側(cè)成為高速區(qū)，速度差變大，進(jìn)入第一層催化劑之前速度分布已經(jīng)極不均勻。從圖5可以看出催化劑表層截面速度最小為0.8 m/s，最大為4.5 m/s，計(jì)算出速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差S為23.7%。煙道左側(cè)出現(xiàn)明顯空洞，煙氣由于慣性作用大多壓向右側(cè)，導(dǎo)致左側(cè)催化劑接觸煙氣多，右側(cè)催化劑接觸煙氣少。從圖6催化劑表層氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布圖可以看出：由于煙氣速度分布差別大，相應(yīng)的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.055%～0.09%分布極不均勻。

圖5　催化劑表層速度分布圖（空塔）

圖6　催化劑表層氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）分布圖（空塔）

煙氣分布不均不利于煙氣與催化劑的混合，將會(huì)降低脫硝效率、增加氨泄漏量，因此必須加入導(dǎo)流板改善SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道內(nèi)煙氣分布，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部速度場(chǎng)的均勻分布。

圖7　SCR反應(yīng)器入口段縱截面速度分布圖（加入導(dǎo)流板）

圖8　催化劑表層速度分布圖（加入導(dǎo)流板）

圖9　催化劑表層氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）分布圖（加入導(dǎo)流板）

2.2 加導(dǎo)流板后結(jié)果分析

在分析空塔時(shí)煙氣流場(chǎng)分布的基礎(chǔ)上，嘗試加入導(dǎo)流板進(jìn)一步分析。導(dǎo)流板既能夠減小煙氣流經(jīng)彎道時(shí)的分離現(xiàn)象，還能夠減小煙氣通過彎道時(shí)所產(chǎn)生的二次流帶來的阻力[3]，但是導(dǎo)流板多會(huì)加大整個(gè)系統(tǒng)的壓降。在經(jīng)過多次嘗試之后，發(fā)現(xiàn)了一種比較合理的結(jié)構(gòu)，如圖3所示在入口段加入了三組導(dǎo)流板。模擬結(jié)果如圖7~圖9所示，通過圖7入口段縱界面速度分布圖可以看出：加入導(dǎo)流板后煙道的速度場(chǎng)得到了明顯的改善，對(duì)流場(chǎng)分離現(xiàn)象有明顯的抑制作用。為降低系統(tǒng)壓降損失，第一組導(dǎo)流板和第二組導(dǎo)流板各設(shè)置3個(gè)導(dǎo)流葉片，它們對(duì)于左側(cè)轉(zhuǎn)彎煙道的導(dǎo)流效果非常明顯：首先，消除了轉(zhuǎn)彎煙道的高速低壓區(qū)域，減小了煙氣流動(dòng)過程中對(duì)于煙道壁面的沖刷；其次，使得煙氣隨著導(dǎo)流板運(yùn)動(dòng)更加規(guī)范，減少了氣流之間的相互擠壓。第一組導(dǎo)流板和第二組導(dǎo)流板聯(lián)合作用使得煙氣進(jìn)入第三組導(dǎo)流板之前的速度調(diào)整為3～5 m/s之間，速度差大大降低，從而可以最大限度發(fā)揮第三組導(dǎo)流板的作用。為了細(xì)化調(diào)整右側(cè)煙道，第三組導(dǎo)流板設(shè)置8個(gè)導(dǎo)流葉片。從圖8催化劑表層速度分布圖可以看出，約90%以上流場(chǎng)區(qū)域的速度在3～4 m/s之間，計(jì)算出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.2%，得到了較好的速度分布效果。從圖9得知，催化劑表層氨質(zhì)量分布也得到改善，在0.07%～0.082%之間，計(jì)算出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.5%，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求?？账r(shí)和加導(dǎo)流板后的兩方案計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1　空塔與加導(dǎo)流板時(shí)模擬結(jié)果對(duì)比情況

3　結(jié)束語

本文利用數(shù)值模擬方法在分析空塔時(shí)的煙道內(nèi)流場(chǎng)情況的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地設(shè)置導(dǎo)流板進(jìn)行優(yōu)化，摸索出了最佳導(dǎo)流板布置形式。通過設(shè)置三組導(dǎo)流板，大大提高了煙道流場(chǎng)分布均勻性，對(duì)煙氣流速分布及催化劑層氨濃度分布具有明顯的改善。進(jìn)入首層催化劑表層處的煙氣速度、氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8.2%和3.5%，均符合設(shè)計(jì)要求，有利于脫硝反應(yīng)器脫硝效率的提高，實(shí)現(xiàn)了SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

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中圖分類號(hào)：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0473(2016)02-0065-04

DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.02.011

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)2013BAC13B01-02）

收稿日期：（2015-06-26）