SCR烟气脱硝反应器整流装置和烟道导流板采用流场模拟优化设计

福建鑫泽环保设备工程有限公司　叶贵峰



SCR烟气脱硝反应器整流装置和烟道导流板采用流场模拟优化设计

福建鑫泽环保设备工程有限公司叶贵峰

[摘要]SCR烟气脱硝反应器的性能主要取决于进入脱硝反应器内的NOx与NH3的混合均匀度及混合气体在进入第一层催化剂前温度、速度分布的均匀性和烟气进入催化剂前流向角偏。该文以某燃煤锅炉烟气脱硝工程的SCR装置为研究对象，采用数值模拟方法研究反应器内烟气的流动分布，在此基础上，对导流板及整流格栅进行简化，在保证混合气体进入第一层催化剂前的流向角偏差小于10°，提高了脱硝反应器的性能，进一步优化了SCR反应器的运行。

[关键词]烟气脱硝SCR性能优化

由于近几年我国空气质量日益恶化，氮氧化物排放大量增加，特别是酸雨对空气质量的影响越来越大。目前对于生态环境危害最大的有害气体就是氮氧化物，其中包括 NO、NO2、N2O3、N2O4等。近些年来，酸雨降临的次数越来越多，造成不可估量的财产损失，而NO就是导致酸雨的主要因素之一，NO还会参与到光合反应当中形成化学烟雾。据统计，南极上空臭氧空洞在2000年就达到了2800万km2，其面积如果不能够得以有效控制，空洞极有可能继续扩大，而 NO就是造成臭氧层破坏的主要元凶之一。NO在大气层低空被氧化成NO2，NO2是一种红棕色并且带有很强烈刺激性的气体，它的毒性是NO的5倍之多，一旦被人体吸入，就会很容易和血液融合，使血液中的氧气含量下降导致缺氧从而引起中枢神经麻痹，还会使呼吸道黏膜粘连，从而导致肺癌的发生。

NO2不仅对于人体的中枢神经和呼吸道有巨大的危害，同时也会对心、肝、肾产生非常大的损害。不同浓度的NO2会对人身健康产生不同的影响，当浓度达到5.0ppm时就会闻到带有刺激性的气味，当达到50ppm时，人体会在1分钟之内产生呼吸异常，并且鼻子会闻到带有强烈刺激性的气味，当NO2浓度达到200ppm时，NO2被吸入之后，人体会在瞬间死亡，由此可以想象NO2对人体的危害是多么巨大。

选择性催化还原法烟气脱硝(Selective Catalytic Reduction, SCR)是在催化剂作用下，以氨为还原剂将烟气中氮氧化物分解成氮气与水，其氮氧化物脱除效率高，适应当前环境保护要求，因而得到了电力行业的高度重视和广泛应用[1~5]。在SCR烟气脱硝系统中，氨气必须与烟气充分、均匀混合，才能确保其和反应物(烟气中的氮氧化物)充分结合。而一般国内燃煤电厂氨气与烟气的流量比悬殊，在此条件下实现氨气与烟气快速均匀混合是一项挑战，由此，烟气脱硝反应器整流装置的优化具有重要意义。

目前，国内外学者对烟气脱硝反应器整流装置的优化进行了很多研究，为保证装置运行的最佳经济性和环境适应性，在优化设计方案时必须遵循系统压力损失最小、导流片数最少、流场分布均匀等原则。

1　研究对象和物理模型

本文以无锡能达100t/h煤粉锅炉烟气脱硝反应器为模拟对象，其结构如图1。该SCR系统由烟道、催化剂反应器构成。入口烟道连接上级省煤器出口和反应器两部分，竖直烟道高11m，距反应器1.8m，喷氨格栅布置在竖直烟道内，在3个烟道转弯处及催化剂反应器上方布置导流板及整流装置。

图1　脱硝系统结构示意图

建立物理模型后，对烟道和反应器采用四面体结构划分网格，在导流板及整流装置处细化网格，网格个数约300万个。数值模拟过程采用以下简化假设：系统绝热；系统无漏风；不考虑化学反应；烟气及还原剂气体均为理想气体。

准κ-ε方程求解，运用质量守恒方程、N-S方程及能量守恒方程描述烟道内的流动特性和质量、各组分浓度、动量、能量的分布。模型的边界条件为与上级省煤器出口相连的烟气入口速度为5.21m/s，温度653K；与反应器相连的烟气入口速度为14.6m/s，温度653K。

2　FLUENT流场的数值模拟结果

烟道和反应器内如图 2所示的导流板和整流装置布置方案 1，其中弧形导流板无伸出直段；烟道和反应器内布置如图3所示的导流板和整流装置布置方案2，其中弧形导流板有伸出直段，整流装置最右端增加一块隔板。对比图3和图2结果，方案2流场分布比方案1更均匀、速度矢量角度更优，工程实际选用方案2布置。

图2　烟道到反应器内的混合气体流动速度分布（弧形导流板无伸出直段）

图3　烟道到反应器内的混合气体流动速度分布(弧形导流板有伸出直段)

图4是反应器第一层催化剂入口截面处的混合气体流速角度分布示意图，截面上烟气流速角度在86°～93°范围内，角偏差小于10°的设计标准。

图4　第一层催化剂入口截面处的混合气体流速角度分布

由于该燃煤锅炉脱硝工程是改造工程，上级省煤器出口处连接烟道弯头是异形弯头，受到现场情况限制，截面尺寸变化较大。为保证烟气流速均匀，降低压力损失，减少弯头积灰状况，需设置导流板，本工程设计比选了两个方案：烟道弯头内布置如图5所示的导流板布置方案1，烟道弯头内布置如图6所示的导流板布置方案2，其中右边导流板水平伸出直段缩短50mm。比较两个模拟结果可知，方案1最高流速为20.1m/s, 方案2最高流速为18.6m/s，方案2布置压力损失更小，本工程设计选用方案2布置方式。

图5　烟道弯头内的烟气速度分布

图6　烟道弯头内的烟气速度分布

通过本工程两年多的实际运行，上级省煤器出口处连接烟道弯头处积灰情况良好，无发现堵灰现象，锅炉运行情况正常，脱硝效率达80%以上或NOX排放浓度≤100mg/Nm3。

以下为100t/h（5#）锅炉脱硝运行记录（部分）（锅炉有上低氮燃烧）：①当蒸汽流量为 65t/h时，NOX进口浓度452 mg/Nm3，NOX出口浓度75 mg/Nm3；②当蒸汽流量为60t/h时，NOX进口浓度609 mg/Nm3，NOX出口浓度106 mg /Nm3；③当蒸汽流量为92t/h时，NOX进口浓度213 mg/Nm3，NOX出口浓度73 mg /Nm3；④当蒸汽流量为74t/h时，NOX进口浓度352 mg/Nm3，NOX出口浓度84 mg /Nm3。

3　结束语

本文从工程实际出发，结合数值模拟分析，实现 SCR脱硝反应器内整流装置的优化设计，使反应器第一层催化剂入口截面处的混合气体流速角偏差小于 10°的设计标准；同时通过导流板设计参数的修改，可知在特定的工况下，优化了流场的分布，所以运用FLUENT流场模拟能够对导流板和整流装置优化设计。

参考文献：

[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] 杨卫娟, 周俊虎, 刘建忠, 等. 选择催化还原SCR脱硝技术在电站锅炉的应用[J]. 热力发电, 2005(9): 10-14.

[4] 孟德润,赵翔,杨卫娟, 等. 200MW水煤浆锅炉的低NOx燃烧试验[J]. 动力