脫硝反應(yīng)器流場與反應(yīng)物混合模擬優(yōu)化.pdf

1、氮氧化物(NOx)是重要的大氣污染物，90％以上源于礦物燃料的燃燒過程，70％來自于煤的燃燒。NOx的存在直接或間接地對(duì)人體、植物、建筑物和環(huán)境造成顯著危害。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，NOx排放量將繼續(xù)增加，2020年將達(dá)到2639萬噸，而一系列環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NOx排放提出了越來越嚴(yán)格的要求，開發(fā)高效可靠的NOx治理技術(shù)迫在眉睫。選擇性催化還原(SCR)技術(shù)具有高效、可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在歐洲和日本等得到廣泛應(yīng)用，我國對(duì)煙氣脫硝技術(shù)的研

2、究處于起步階段。提高脫硝效率、延長催化劑壽命是目前的研究熱點(diǎn)。利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，可為脫硝反應(yīng)器煙道、導(dǎo)流板及噴射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供重要依據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。本文將氣體擴(kuò)散理論和表面化學(xué)反應(yīng)理論應(yīng)用于煙氣脫硝應(yīng)過程，建立了催化劑作用下NH3還原NOx的脫硝反應(yīng)速率模型，探討了改善SCR性能的方法與措施。提出用非均布導(dǎo)流板優(yōu)化入口煙道流場和用放射排列直板導(dǎo)流板結(jié)合整流器優(yōu)化反應(yīng)器流場的方案，并應(yīng)用于國內(nèi)某66

3、0MW機(jī)組SCR系統(tǒng)，通過不同方案的模擬比較，確定了該機(jī)組入口煙道、反應(yīng)器的流場優(yōu)化方案和采用AIG實(shí)現(xiàn)還原劑與煙氣混合的方案，并對(duì)變工況性能進(jìn)行了模擬分析。主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴建立了SCR脫硝速率模型。SCR脫硝過程中存在大量的化學(xué)反應(yīng)，但在一般鍋爐煙氣成分組成和一般反應(yīng)條件下，反應(yīng)：4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O占主導(dǎo)地位；SCR微觀脫硝過程包括外傳質(zhì)過程，內(nèi)傳質(zhì)過程和表面化學(xué)反應(yīng)過程；一定的反應(yīng)條件下，反應(yīng)速

4、度與煙氣中反應(yīng)物濃度及催化劑微孔面積成正比，反應(yīng)阻力由三部分組成：外傳質(zhì)阻力，內(nèi)傳質(zhì)阻力和表面化學(xué)反應(yīng)阻力。
　　 ⑵分析了催化劑和AIG安裝后入口煙道流場的流場分布，安裝催化劑使系統(tǒng)總阻力有較大增加，上游入口煙道Y向速度分布不均勻；安裝AIG后入口煙道Y向速度分布趨于均勻，AIG上游流速均勻性提高，同時(shí)也使系統(tǒng)阻力有一定的增加；安裝導(dǎo)流板后入口煙道流場得以優(yōu)化，同時(shí)阻力增加，適當(dāng)布置非均布導(dǎo)流板可以在阻力增加不多的情況下使AI

5、G上游截面速度偏差系數(shù)CV≤15％，滿足NH3、NOx均勻混合的需要；煙氣流向急劇改變引起的對(duì)煙道壁面的局部高速?zèng)_刷可以通過安裝防磨導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)。
　　 ⑶對(duì)放射排列直板導(dǎo)流板結(jié)合整流器優(yōu)化脫硝反應(yīng)器流場的方案進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明，僅對(duì)入口煙道進(jìn)行優(yōu)化而SCR反應(yīng)器不采取優(yōu)化措施，催化劑入口流場分布不均，從左到右的流速依次增大，不能滿足速度分布偏差系數(shù)CV≤15％的要求；安裝整流格柵可以改善流場均勻性，改善程度與格柵間距和高度

6、關(guān)系密切，間距需要適中，在格柵間距一定的條件下，隨著格柵高度的增加，流場均勻性提高，系統(tǒng)阻力增加；整流格柵與其上游布置的非均布直板導(dǎo)流板結(jié)合，能進(jìn)一步消除由于離心力導(dǎo)致的SCR反應(yīng)器催化劑入口速度左低右高的現(xiàn)象，滿足SCR反應(yīng)器要求的速度分布偏差系數(shù)CV≤15％的要求。
　　 ⑷分析了SCR脫硝系統(tǒng)不同AIG布置方案時(shí)入口煙道內(nèi)煙氣與還原劑的混合效果，結(jié)果表明，在噴嘴噴管數(shù)量一定的情況下噴管單層布置方案混合均勻性優(yōu)于噴管雙層布置

7、方案，流動(dòng)阻力高于雙層布置方案；單層布置時(shí)噴管布置方向?qū)旌闲Ч绊懖淮?，噴管總?shù)較少時(shí)，噴管X向布置混合效果略優(yōu)于Z向布置，隨著噴管數(shù)量增多，混合效果差別也越來越小。噴管布置方向?qū)α鲃?dòng)阻力影響也比較小，噴管X向布置時(shí)流動(dòng)阻力略小于噴管Z向布置，隨著噴管數(shù)量增多差別越來越??；不管是單層布置還是雙層布置，混合效果均隨著噴嘴數(shù)量的增多而改善。而流動(dòng)阻力均隨著噴嘴數(shù)量的增多而增大。
　　 ⑸模擬分析了SCR系統(tǒng)變工況流場分布和混合效果

8、，結(jié)果表明，入口煙道出口截面和SCR反應(yīng)器第一層催化劑入口截面平均速度均隨負(fù)荷變化而變化，系統(tǒng)的流動(dòng)阻力也隨之變化，但AIG上游截面和反應(yīng)器第一層催化劑入口截面的速度分布偏差系數(shù)均變化不大，且均滿足CV≤15％，說明按BMCR工況設(shè)計(jì)的SCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)能夠很好地滿足系統(tǒng)對(duì)流場速度分布均勻性的要求；當(dāng)煤種變化時(shí)，理論燃燒空氣量變化，過量空氣系數(shù)也發(fā)生變化，煙氣中的NOx濃度也發(fā)生變化，按設(shè)計(jì)NH3/NOx摩爾比噴氨，NH