CFD在水泥SCR工艺中的应用及发展现状.pdf

作者简介：白文文（1995），女，汉族，硕士，西安龙净环保科技有限公司，工程师，大气污染控制。CFD 在水泥 SCR 工艺中的应用及发展现状 白文文 尹 成 任 凯 任 轩 赵国阳 西安龙净环保科技有限公司，陕西 西安 710075 摘要：摘要：水泥行业氮氧化物超低排放改造如火如荼，SCR 技术作为一种高效脱氮技术，在水泥行业的应用正处于研究试运行阶段。同时 CFD 流体仿真技术发展迅速，可为 SCR 脱硝工艺的改进与应用提供技术支撑。本文综述了基于 CFD 手段的 4 种 SCR 工艺路线的发展现状及存在问题，并展望了 CFD 技术中的传热传质、积灰及化学反应在 SCR设备上的应用及研究方向。关键词：关键词：水泥行业；氮氧化物；SCR；CFD 中图分类号：中图分类号：TQ172.6 0 引言 随着近年来环保政策愈发严格，水泥行业氮氧化物超低排放也紧随火电及钢铁等行业进入国家和地方标准体系中，国内的水泥行业SCR脱硝技术起步较晚，但因其较高的脱硝效率，而受到广泛关注。SCR 脱硝反应器内流场的运动状态影响其脱硝效率、阻力及氨逃逸等多个运行参数，对于脱硝反应器的稳定运行尤为关键。计算流体动力学（CFD）技术可实现气流流态的可视化，因其成本低、用时短等优势在流体运动规律的研究中发挥了及其重要的作用。由于燃煤电厂的 SCR 技术相较于水泥窑应用更早，CFD在燃煤电厂 SCR 反应器流场模拟上的研究也更加成熟和深入。众多研究者采用数值模拟方法对燃煤电厂 SCR反应器内烟气分布状态、烟气入射催化剂角度、氨浓度分布及阻力等参数进行仿真，但针对水泥窑尾 SCR反应器流场、喷氨过程及粉尘堆积的模拟研究不多。王卫群1等人利用CFD模拟计算了SCR反应器内氨浓度分布，并对部分喷氨管引入示踪气体替换原有烟气，获得每个喷氨管喷出氨气的影响范围，精确指导试验人员调节喷氨支管的阀门开度，选取最佳的喷氨流量。许肖飞2采用 fluent 软件对 SCR 反应器内流场进行模拟，在单一气相条件下，优选出了最佳格栅间距和高度，并采用 DPM 双相耦合，结合颗粒物的分布条件与单一气相进行对比发现，存在颗粒物时，催化剂上的烟气均布性会稍有降低，但基本满足工程要求。马贵林3借助CFD中的DPM模型模拟了尿素在SCR反应器中的挥发状态，并对混合器、导流板及孔板进行优化，加强了氨氮混合效果，确保首层催化剂的上的氨气均匀性系数满足脱硝反应工艺要求。可见，CFD 流体力学对 SCR 反应器进行仿真模拟可以为脱硝系统内的气流分布提供重要的依据，有效减少了设计的盲目性。本文讨论了 CFD 流体仿真作为重要的流场优化手段在水泥窑尾高温高尘、高温中尘、中温中尘及高（低）温低尘 4 种脱硝技术上的应用现状及发展方向，为 SCR项目的新建或问题处理上提供了设计思路及方向。1 SCR 流场技术要求 1.1 数值模拟方法 CFD 数值模拟用于计算脱硝反应器内流场状态时，一般需做如下假设和简化：烟气为不可压缩的牛顿流体，烟气流动为定常流动，流体的物性参数为常数；在近壁区域采用标准壁面函数法，使用 Simple 算法进行求解。催化剂孔径很小，可采用多孔介质模型。涉及喷氨过程时，运用组分输运模型和离散相（DPM）模型模拟氨水或 NH3与烟气的混合过程。1.2 数值模拟评价指标 SCR 反应器设计及优化的评价指标有：催化剂表面流场均布、烟气入射角、氨浓度分布及系统压力损失。流场均布性越好，催化剂利用率越高；烟气入射角越小，催化剂磨损率越低；氨浓度分布越均匀，还原剂利用率越高，氨逃逸越小。由于水泥行业 SCR 技术暂无现行流场模拟相关标准，目前，参考燃煤电厂 SCR脱硝反应器流场模拟设计标准，采用相对标准偏差v来表征催化剂表面速度及氨浓度均布性：1）第一层催化剂入口烟气流速偏差15；2）第一层催化剂入口氨氮摩尔比偏差10；3）第一层催化剂入口截面烟气角度最大10。2 几种水泥窑尾 SCR 技术路线 水泥窑尾 SCR 脱硝的常规技术路线分为 4 种：高温高尘、高温中尘、中温中尘、高（低）温低尘布置4,5，无论哪种布置，良好的流场均布都是系统设计及稳定运行的关键，CFD 流体仿真对 SCR 设备内的烟气流场可作出可视化预判，为流场优化提供重要依据。2.1 高温高尘 水泥窑尾高温高尘 SCR 技术直接借鉴了燃煤电厂的NOX治理方式，将SCR反应器布置于预热器C1出口，如图 1 所示，出口烟气温度约 300350，此温度与SCR 反应器中多数催化剂的活性温度相匹配，高温度窗口还可以解决硫酸氢铵堵塞孔道的负面影响。但与燃煤电厂不同的是，水泥窑烟气粉尘浓度和金属氧化物含量较高，粉尘粘性大，在水泥窑尾高温高尘 SCR 设备运行过程中，极易出现催化剂堵塞、磨损、中毒、失活等问题，因此，该技术对流场均匀性要求极高。图 1 水泥窑高温 SCR 反应器布置 高温高尘反应器基本为方形设计，进口管道至反应器截面变径显著，气流均布难度大，出现催化剂覆灰不均、堵塞或磨损的风险较高。利用 CFD 技术对反应器内气流进行仿真，实现可视化，对烟气烟尘的分布做出预判，并根据结果添加导流进行优化便显得尤为重要。李乐意6借助计算机仿真，对高温高尘反应塔内气体流场均匀性进行模拟，并在 SCR 入口处设置 3层导流+均布分风装置，达到了催化剂表面速度分布相对标准偏差15%，并有效降低氨水用量的效果。李祥超7也对高温高尘 SCR 反应器进行了设计与优化，减少催化剂模块上下的附属部件，降低积灰风险；采用三层整流格栅对气流进行均布，首层催化剂表面烟气入射角度均10，减少了气流和粉尘的集中效应。由文献及实验研究得出，无论使用三层导流结合均布分风装置还是三层整流格栅实现导流，其连同内部支撑等结构，会导致进口设计密度大，结构复杂，增加阻力，仍有积灰风险的问题。此外，导流形式复杂，载荷过重，会对反应器进口变径处壁板造成较大负担，运行过程中存在脱落的风险。若导流布置密度较小，虽能降低积灰或脱落风险，但又难以达到气流均布偏差小于 15%和角度低于 10的标准，如图 2 所示。综上所述，高温高尘前期投资成本虽低，但后期运行过程中由于清灰难度高，易造成催化剂中毒堵塞等故障，经常发生催化剂阻力激增的问题，需更换催化剂或人工清灰等频率高，运行成本较高，且对水泥生产线的正常运行影响较大。图 2 速度流线图及催化剂表面云图 2.2 高温中尘 高温中尘是在高温高尘的基础上于 SCR 反应器前加电除尘器先进行除尘，脱除约 70%的粉尘颗粒后进行脱硝，进入 SCR 反应器中粉尘含量大幅降低，相比于高尘技术，可显著降低吹灰压力及压缩空气用量，并能有效减少催化剂的磨损及堵塞的风险，如图3所示。西安龙净环保科技公司自主开发了“高温电除尘器+SCR 脱硝技术”，并成功应用于河南登封宏昌 5000t/d生产线，实现了 SCR 脱硝和水泥窑系统的有机结合，还突破了 SNCR 脱硝技术低效和氨逃逸量大的现状，成为我国 NOX超低排放的示范工程8。高温中尘电除尘器出口与 SCR 进口基本等宽，且由于 SCR 进口形式的作用，该处的烟气流动状态远优于高温高尘，气流的均布性调整相对简单，只需添加少量导流装置便能起到流场优化的作用。如图4所示：在 SCR 进口处添加 1 个圆弧导流板后，其催化剂表面的烟气入射角及速度均布相对标准偏差均能满足要求。尹成9等对某高温中尘技术路线整体进行了 CFD 数值模拟分析，并对比了有无导流板情况下催化剂上表面气流均布的影响。结果表明：增设 2 片导流板后，催化剂表面速度均布相对标准偏差降低了约 4%，入射角度均10，在一定程度保证了脱硝效率，降低了催化剂磨损及堵塞的风险。可见，高温中尘脱硝的烟气流动状态良好，不存在过高或过低风速区域，从排放和运行稳定性考虑，“高温电除尘器+SCR 脱硝一体化”技术被水泥行业公认是比较具有发展前景的超低排放技术。图 3 高温中尘工艺图 图 4 速度流线图及催化剂表面云图 2.3 中温中尘 中温中尘是将 SCR 反应器安装于余热锅炉之后，烟气温度约 180250，大约 40%的粉尘经余热锅炉被收集，进入脱硝反应器的粉尘含量低，吹灰器喷吹用气量少10，且有效减少了催化剂负担，催化剂被粉尘堵塞磨损的风险低于高温高尘。但由于烟气温度较低，难以有效发挥催化剂的催化活性，且易生成亚硫酸铵和亚硫酸氢铵，长期运行容易造成催化剂堵塞。这一直是中温中尘技术的痛点与难点，有关从业或研究者一直致力于解决此类问题，阮燕11等人利用 CFD研究 SCR 反应器的速度场、温度场及氨浓度分布，得到了硫酸氢铵的生成条件，认为喷氨后，烟气混合温度低于硫酸氢铵露点，是造成硫酸氢铵生成的原因。此外，反应器形式与高温高尘相同，也是近方形结构，气流均布难度大，要获得满足要求的均布性，同样需设置复杂的导流结构。更值得一提的是，本技术 SCR反应器置于余热锅炉后，与增湿塔等设备的布置难以兼顾，工艺路线布置复杂，需要更大的空间布置管路（见图 5），且阻力较大，能耗更高。图 5 高温中尘空间管路 2.4 高（低）温低尘 低尘技术是将 SCR 反应器置于袋除尘之后，同时进行除尘脱硝的一体化技术，其分为高温低尘和低温低尘，区别在于该一体化设备是直接位于 C1 出口还是烟囱之前。高温低尘技术对滤袋要求较高，一般多采用金属滤袋，催化剂置于滤袋上方，如图 6 所示。牛志远12设计了复合金属滤袋结合蜂窝催化剂的尘硝一箱化 SCR 脱硝技术，并通过 CFD 气流模拟软件进行三维设计，进一步优化管道，显著降低系统阻力，使其布局美观合理，避免积灰。该系统投运后，各项指标均优于设计要求。还有学者考虑将袋除尘器和 SCR 技术联用，即对滤袋加以处理，使其不仅有过滤粉尘的能力，还有还原 NOX的能力。浙江天地环保有限公司研发了一种适用于水泥烟气的新型陶瓷滤筒，烟尘首先经陶瓷催化剂滤筒外表面拦截，气体通过滤筒催化剂时其中的 NOX被还原，同时实现除尘和脱硝，并搭建了该技术中试平台，运行结果显示：该工艺具有较高的NOX脱除效率，达到了超低排放要求13。低尘技术由于其前端含袋除尘，经滤袋过滤后的烟气流场均布性显著优于前 3 种脱硝技术，且达到催化剂的粉尘浓度极低，因此，催化剂基本不会发生堵塞现象，可以选择更加细密的催化剂，以达到更优的脱硝效率。但值得一提的是，低尘技术中的除尘装置无论是金属滤袋还是滤筒，都存在着清灰困难的问题，长时间运行，易发生阻力增大超过风机负荷的问题，所以，在低尘脱硝技术中，性能优良的清灰方式一直是亟待解决的问题。图 6 高温低尘 低温低尘技术对SCR催化剂要求较高，目前为止，满足脱硝排放要求的低温催化剂还处于实验室阶段。尤其是低温条件容易生成前文所述的硫酸氢铵，对于低温低尘技术又是一大挑战，因此该技术从实验室走向工业生产还需较多研究。3 结论与展望（1）水泥行业 SCR 技术在国内依旧处于研究试运行阶段，CFD 流体仿真作为重要的流场优化手段在水泥行业 SCR 设备的设计及优化上发挥着重要作用，也有着广阔的发展前景。（2）高温高尘技术虽前期建设投资低，但气流均布性很差，需在进口段添加复杂的导流板，不仅增加自重，而且复杂的导流结构处也容易积灰，影响脱硝效率，得不偿失；高温中尘气流均布性很好，脱硝效率高，运行稳定，是比较有前景的超低排放技术；中温中尘反应器结构与高温高尘相似，气流均布性较差，难以优化，且存在硫酸氢铵堵塞的风险，难以保证高效运行；高温低尘技术流场均布性较佳，虽同时具有高效除尘和脱硝的作用，但清灰难度高，阻力易超标，应用案例不多；低温低尘技术中尚未出现脱硝性能较优的低温催化剂，其从实验室走向生产仍需进一步研究。无论以上哪种技术路线，CFD 流体仿真在其流场优化中均占据重要位置。（3）SCR 反应器内不仅有流场均布问题，还涉及传热传质，相间变化或某些复杂的化学变化，而涉及催化剂积灰及化学反应的 CFD 模拟报道不多，后续可深入研究 SCR 反应器内的化学反应及催化剂积灰的多相流模拟，为现有的催化剂堵塞、磨损及氨逃逸问题提供有效的解决思路。参考文献 1王卫群,张磊,黄治军,傅高健,李国奇.基于 CFD 模拟计算的 SCR 脱硝系统喷氨优化试验方法J.中国电力,2020,53(6):185-190.2许肖飞.水泥窑烟气 SCR 脱硝系统数值模拟及优化研究D.内蒙古:内蒙古工业大学,2021.3马贵林,刘猛.2.8 MW 热水锅炉 SCR 脱硝数值模拟分析J.工业锅炉,2022(1):18-25.4张星,梁丽鹏,陈洪胜,张伟,王硕,刘启栋,杨立颖.中温中尘SCR脱硝技术在水泥厂实际运行数据分析J.水泥工程,2022(6):23-24.5费明明,崔雷,苏传好,尹华.水泥窑烟气脱硝技术现状及展望J.水泥技术,2019(03):89-94.6李乐意.水泥窑高温高尘 SCR 烟气脱硝系统的应用J.建材发展导向,2021,19(12):4-5.7李祥超,周金波.水泥工业高温高尘 SCR 研究与应用J.中国水泥,2023(1):57-60.8佚名.水泥窑烟气 SCR 脱硝超低排放领先技术 西矿环保中高温 SCR 脱硝技术与工程J.新世纪水泥导报,2020,26(4):2.9尹成,任轩,屈荷叶,任凯,郭纯.基于水泥除尘+脱硝流场的 CFD 数值模拟研究J.水泥,2020(1):58-62.10张振昆,卢春林,汪澜.中温中尘 SCR 脱硝技术在水泥窑生产线的应用实践J.水泥,2022(9):29-31.11阮燕,高启锋,韩波等.基于 CFD 研究 SCR 系统硫酸氢铵的产生J.能源工程,2017(5):60-66.12牛志远,王子君.尘硝一箱化 SCR 脱硝技术在窑尾烟气降氮节能中的设计运用J.水泥,2023(09):24-26.13 唐 飞 翔,廖 达 琛,郑 俊 杰 等.用 于 水 泥 行 业 的 脱 硝 除 尘 一 体 化 技 术 与 中 试 研 究 J.上 海 节能,2019(9):778-781.