脫硝反應器流場與反應物混合模擬優(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人體、植物、建筑物和環(huán)境造成顯著危害。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，NOx排放量將繼續(xù)增加，2020年將達到2639萬噸，而一系列環(huán)保排放標準對NOx排放提出了越來越嚴格的要求，開發(fā)高效可靠的NOx治理技術迫在眉睫。選擇性催化還原(SCR)技術具有高效、可靠、結構簡單等優(yōu)點，在歐洲和日本等得到廣泛應用，我國對煙氣脫硝技術的研

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。利用計算流體力學軟件對SCR脫硝系統(tǒng)進行數(shù)值模擬仿真，可為脫硝反應器煙道、導流板及噴射系統(tǒng)的設計和改進提供重要依據(jù)和設計參數(shù)。本文將氣體擴散理論和表面化學反應理論應用于煙氣脫硝應過程，建立了催化劑作用下NH3還原NOx的脫硝反應速率模型，探討了改善SCR性能的方法與措施。提出用非均布導流板優(yōu)化入口煙道流場和用放射排列直板導流板結合整流器優(yōu)化反應器流場的方案，并應用于國內(nèi)某66

3、0MW機組SCR系統(tǒng)，通過不同方案的模擬比較，確定了該機組入口煙道、反應器的流場優(yōu)化方案和采用AIG實現(xiàn)還原劑與煙氣混合的方案，并對變工況性能進行了模擬分析。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反應，但在一般鍋爐煙氣成分組成和一般反應條件下，反應：4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O占主導地位；SCR微觀脫硝過程包括外傳質(zhì)過程，內(nèi)傳質(zhì)過程和表面化學反應過程；一定的反應條件下，反應速

4、度與煙氣中反應物濃度及催化劑微孔面積成正比，反應阻力由三部分組成：外傳質(zhì)阻力，內(nèi)傳質(zhì)阻力和表面化學反應阻力。
　　 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，同時也使系統(tǒng)阻力有一定的增加；安裝導流板后入口煙道流場得以優(yōu)化，同時阻力增加，適當布置非均布導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煙道壁面的局部高速沖刷可以通過安裝防磨導流板實現(xiàn)。
　　 ⑶對放射排列直板導流板結合整流器優(yōu)化脫硝反應器流場的方案進行了模擬分析。結果表明，僅對入口煙道進行優(yōu)化而SCR反應器不采取優(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流板結合，能進一步消除由于離心力導致的SCR反應器催化劑入口速度左低右高的現(xiàn)象，滿足SCR反應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布置方案時入口煙道內(nèi)煙氣與還原劑的混合效果，結果表明，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，流動阻力高于雙層布置方案；單層布置時噴管布置方向?qū)旌闲Ч绊懖淮?，噴管總?shù)較少時，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鲃幼枇τ绊懸脖容^小，噴管X向布置時流動阻力略小于噴管Z向布置，隨著噴管數(shù)量增多差別越來越小；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、，結果表明，入口煙道出口截面和SCR反應器第一層催化劑入口截面平均速度均隨負荷變化而變化，系統(tǒng)的流動阻力也隨之變化，但AIG上游截面和反應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工況設計的SCR系統(tǒng)結構布置在機組負荷變化時能夠很好地滿足系統(tǒng)對流場速度分布均勻性的要求；當煤種變化時，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，按設計NH3/NOx摩爾比噴氨，NH