水泥窑尾烟气SCR脱硝系统流场优化研究_韩玉维.pdf

工程应用Engineering Application70CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165引言随着我国环境治理要求的日益严格，氮氧化物（NOx）的允许减排标准也逐年提升。近年来，选择性催化还原（SCR）技术因其具备脱硝效率高的特点，在热力发电、钢铁等行业对NOx的处理方面得到了广泛应用1-2。同时在NOx排放主要源头之一的水泥行业3，SCR技术的应用也越来越受重视。脱硝系统的流场均布情况是脱硝效率的关键影响因素。若烟气流场分布不均匀，流场将出现局部高低速区，氨气和烟气混合不充分，造成催化剂磨损和堵塞，氨逃逸严重，脱硝效率降低，最终导致催化剂性能下降。针对流场分布不均对脱硝系统造成的不利影响以及如何提高脱硝系统流场均匀性的问题，美国B&W公司4详细地研究了速度、温度差和反应物浓度的分布偏差对脱硝效率的影响，并且在实际工程中进行了验证，提出了合适的速度、温度差和反应物浓度分布偏差值，对实际工程具有积极的指导意义；瑞士Flowtech公司指出了美水泥窑尾烟气SCR脱硝系统流场优化研究韩玉维北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室 北京 100041摘 要：水泥窑尾烟气选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）脱硝系统的流场均布问题是脱硝效率、氨逃逸控制及催化剂堵塞和磨损的关键影响因素。采用CFD FLUENT数值模拟方法，对SCR脱硝系统的速度场、压力场及尘粒浓度场进行模拟分析，优选出“导流格栅层均流层”的最佳导流结构，并更改优化了系统出口烟道结构。得出最优的模拟结果为：入射进第一层催化剂床层的烟气流线与床层截面垂直方向的最大偏角小于10；第一层催化剂床层前的烟气流场速度均匀度相对标准偏差（Coefficient of Variation,CV）值为7.7%，较未优化的工况速度均匀度CV值提升了25.8%；第一层催化剂床层前入口区域尘粒浓度值均处于0.050.06kg/m3。以上优化结果使入射进催化剂床层的烟气流线顺畅，均匀分布系统速度流场，实现氨气和烟气的充分混合，进而降低氨逃逸率，同时可有效避免催化剂床层的堵塞和磨损，最终实现脱硝效率的提升。关键词：SCR；模拟分析；导流优化；均匀度相对标准偏差值Study on Flow Field Optimization of Cement Kiln Flue Gas SCR Denitrification SystemAbstract:The flow field uniformity of the selective catalytic reduction(SCR)denitration system of cement kiln tail gas is the key factor affecting denitration efficiency,ammonia escape control and catalyst plugging and wear.CFD FLUENT numerical simulation method is used to simulate and analyze the velocity field,pressure field and dust concentration field of SCR denitration system,and the optimal diversion structure of diversion grid layer+uniform flow layer is selected,and the outlet flue structure of the system is changed and optimized.The optimal simulation results show that the maximum deviation angle between the flue gas flow line incident into the first catalyst bed and the vertical direction of the bed section is less than 10;and the coefficient of variation(Cv)of velocity uniformity of the flue gas flow field in front of the first catalyst bed is 7.7%,which is 25.8%higher than the Cv value of the velocity uniformity of the unoptimized working condition;the dust particle concentration in the inlet area in front of the first catalyst bed is 0.050.06kg/m3.This optimization result can smoothly incident into the flue gas flow line of the catalyst bed,uniformly distribute the system velocity flow field,realize the full mixing of ammonia and flue gas,thus reducing the ammonia escape rate,effectively avoid the blockage and wear of the catalyst bed,and finally achieve the improvement of denitration efficiency.Key words:SCR;simulation analysis;diversion optimization;coefficient of variation of uniformity收稿日期：2022-12-19第一作者：韩玉维，1988年生，硕士，主要从事水泥、钢铁及电力行业的脱硫、脱硝、除尘等环保项目的流体分析工作，E-mail：工程应用Engineering Application71总165期 2023.03 混凝土世界国Homer City电厂SCR装置的性能问题主要原因是烟气和氨的混合不均匀和局部烟气流速过低，经过流场模拟和物理模型验证方案的改造，在完成后达到了目标的脱硝效果；陈冬林等5-6的研究说明在锅炉最大连续蒸发量（BMCR）工况下风烟道的结构及其导流板的布置对脱硝反应器的脱硝效率以及氨逃逸率具有影响，合理的管道和导流板布置，有利于提高脱硝反应器的脱硝率和降低氨逃逸率；沈凡等7对反应器内直板、弧度板、弧度直板3种形态导流板进行模拟比较，得出在直角弯道处添加直弧形状的导流板整流效果最理想，与现在主流的导流板设计思路相符；毛剑宏等8-9模拟研究了SCR反应器变截面烟道处导流板的布置，分析了导流板布置角度对流场分布的影响；Xu YY等10采用现场试验的方法，对首层催化剂入口进行测试，分析造成磨损的原因，结果显示SCR烟气入口流场不均匀的分布是造成磨损的主要原因，之后他们在烟气入口处设置了一系列导流板，改善了流场分布，有效防止了催化剂磨损。以上国内外学者根据在实际工程应用中遇到的相应工程问题，对脱硝系统的相关结构位置点进行了针对性的研究，但并未从脱硝系统的整体方面进行优化分析。本文基于上述研究分析，利用计算流体力学软件CFD FLUENT，从整体上对SCR脱硝系统进行更为具体详细的流场模拟分析。结合脱硝系统的实际情况，通过分析反应器系统内部的速度场、压力场和尘粒浓度场，有针对性地进行导流均流方案设计。本次模拟分析的优化导流方案，能够提高流场均匀度，促进脱硝反应器内氨气和烟气的充分混合，进而降低氨逃逸率，同时避免催化剂堵塞和磨损，提升脱硝效率。1 研究方案1.1 研究目标SCR脱硝反应系统的行业技术标准，通常是用相对标准偏差（CV）值来表示SCR脱硝反应器系统内的流场均匀度。其中CV值指的是一种量度数据分散程度的标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度。CV值越小，数据值偏离平均值的程度越小，偏离的数据点数就越少，流场均匀度就越高。对于SCR系统流场的模拟，一般要求为：（1）系统反应器最上层催化剂床层入口截面的速度场CV值低于15%；（2）系统反应器最上层催化剂床层入口截面的氨气浓度场CV值低于5%（本次模拟分析由于氨气在进SCR系统装置之前，经过了旋风筒旋流混合，氨气浓度场分布较为均匀，故氨气浓度场CV值不在本次模拟分析目标范围内）；（3）速度流线与催化剂表面垂直方向线最大偏角小于10。CV值的计算方法见式（1）：（1）式中，CV为相对标准偏差；为标准偏差；为截面数据平均值；i为各取样点数据值；n为取样点数。1.2 几何模型确定以石家庄某水泥厂脱硝改造项目的SCR脱硝反应器系统为原型，按照与实际结构比例为1 1的尺寸建立三维几何模型。原始方案和优化方案这2种工况下的脱硝系统模型如图1所示；原始方案和优化方案这2种工况下的SCR反应器出口结构模型如图2所示。1.3 计算模型选定CFD为计算流体动力学的英文简称，是利用专门的计算机软件对固体边界两侧流体通过数值模拟分析，得图 1 SCR脱硝系统三维模型（左：原始方案；右：优化方案）工程应用Engineering Application72CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165出传热及流动性能优劣的一个学科，FLUENT作为CFD中的一种通用软件，被普遍应用于与流动换热相关的模拟和分析中。根据研究对象的特点与研究目的，从软件中选择适宜的计算模型进行分析计算。本次模拟分析所采用的计算模型如下：1）气流在SCR反应器内湍流流动的计算，采用标准k-湍流模型，该模型具有良好的稳定性、经济性及较高的计算精度。在直角坐标系下，基本控制微分方程见式（2）式（4）。连续性方程：（2）动量方程：（3）标准 微分模型：（4）在式（2）式（4）中，为动力粘度系数；为广义源项；为通变量；为混合气体密度。相关控制微分方程所对应的、表达式具体形式见表1。2）催化剂床层的计算采用多孔介质模型，依据实际催化剂特性计算模型阻力系数及通孔率，进而模拟分析催化剂床层对烟气流体的阻滞作用。3）烟气中尘粒流的模拟采用DPM离散相模型进行计算，根据实际参数设置相应边界条件，进而分析离散相尘粒与连续相烟气流之间的相互作用。1.4 网格划分网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量的好坏对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。本次模拟网格划分过程分三步，一是建立几何模型：在此过程中，根据计算需要对几何模型进行适当简化。二是划分网格：几何模型采取特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分。对于实际SCR脱硝系统的不同内部结构，采取不同形式的网格，如圆变方或异形体等不规则结构，采取四面体非结构化网格进行划分；六面体或者圆柱体等规则结构，采取六面体或者棱柱形结构化网格进行划分。三是指定边界区域：指定模型每个区域的名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。模型网格划分如图3所示。1.5 边界条件本次模拟分析的模型有烟气入口、烟气出口以及壁面3种边界，其中烟气入口选用速度入口边界形式；烟气表 1 相关控制微分方程表达式方程 连续方程100X-动量方程uY-动量方程vZ-动量方程w湍动能方程k 湍动能耗散率方程图 2 SCR反应器出口烟道结构形式（左：原始方案；右：优化方案）工程应用Engineering Application73总165期 2023.03 混凝土世界出口选用压力出口边界形式；壁面选用无滑移、无热传导的WALL类型。入口边界条件的具体内容见表2。表 2 入口边界条件烟气量/（m3/h）入口截面速度/（m/s）温度/95000017.773302 结果与分析本文对未安装任何导流装置的原始方案与安装导流装置后的优化方案进行对比模拟分析，研究了系统的速度场、压力场和粉尘浓度场的分布情况，最终得出：通过增设适宜的导流均流装置，提升了整个SCR脱硝系统流场均匀性，保证了脱硝效果满足设计应用要求。2.1 速度场分布通过对原始方案和优化方案的速度场进行模拟分析，得出相应的速度分布云图和流线图，综合研究这2种方案下的云图和流线图，对比展示导流优化效果。具体的SCR反应器系统速度场分布云图如图4所示；SCR反应器系统速度场分布流线图如图5所示；SCR系统第一层催化剂床层入口位置目标截面速度分布云图如图6所示。由图4图6的原始方案可知，在未安装导流装置时，第一层催化剂床层入口段空间，速度流线疏密不均、偏斜严重、四周区域存在严重漩涡，导致靠近催化剂床层的入口截面速度场出现局部高低速现象，流场分布十分不均。经过数据统计得出，速度流线与第一层催化剂床层表面垂直方向线最大偏角均大于10；第一层催化剂床层入口截面速度最大值为9.44m/s，最小值为1.52m/s，速度场均匀度CV值为33.5%。因此，原始设计方案下的流场不能满足设计应用要求。经过增设最佳的导流均流装置“导流格栅层均流层”，整个系统速度场模拟结果较原始方案发生较大变化。由图4图6的优化方案可知，在入口细长圆形烟道段的各个弯头处以及反应器入口圆变方烟道处分别设置不同形式的导流板、导流格栅及均布板，再经过整流格栅均流之后，烟气以更均匀的流线进入第一层催化剂床层内。经过数据统计得出，烟气流线与第一层催化剂床层表面垂直方向线最大偏角小于10；第一层催化剂床层入口位置目标截面速度场均匀度CV值为7.7%，较原始方案提高了25.8%。此优化结果可大幅度提升流场均匀度，保证烟气流线能够顺畅垂直地入射进入第一层催化剂床层中，实现烟气中的氮氧化物与NH3充分混合，进而有效发生化学反应，完成高效率脱硝过程，满足设计应用指标要求。2.2 压力场分布通过对原始方案和优化方案的压力场进行模拟分析，得出相应的压力分布云图，综合研究这2种方案的云图，对比展示导流优化效果。具体的SCR反应器系统压力场分布云图如图7所示。由图7可知，2种方案的压力损失均主要发生在催化剂床层位置以及系统出口烟道段。经过数据统计得出，原始方案下，从SCR系统模型入口（C1预热器出口）到模型出口（余热锅炉入口）间的总压降为710Pa，其中圆变方过渡段压降为25Pa，三层催化剂床层压降为435Pa，从催化剂床层出口到系统出口烟道段压降为245Pa，系统压损不能满足设计要求；导流优化方案下，从模型入口（C1预热器出口）到模型出口（余热锅炉入口）间的总压降为600Pa，其中圆变方过渡段压降为28Pa，三层催化剂床层压降为452Pa，从催化剂床层出口到系统出口烟道段压降为115Pa，系统压损可以满足设计应用要求。2.3 尘粒浓度场分布 通过对原始方案和优化方案的粉尘浓度场进行模拟分析，得出相应的粉尘浓度分布云图，综合分析这2种方案的云图，对比展示导流优化效果。具体的SCR反应器系图 3 SCR脱硝系统模型网格划分（左：原始方案；右：优化方案）工程应用Engineering Application74CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165统粉尘浓度场分布云图如图8所示。由图8可知，原始方案下，SCR反应器第一层催化剂床层上部空间，粉尘颗粒受不均匀气流影响，大部分聚集在中心区域，局部最高浓度值达到0.15kg/m3，导致大量粉尘颗粒被中心区域的高速烟气流携带前进，高速通过反应器床层，最终颗粒对中间部位的催化剂床层造成严重磨损；在周围低速区，气流出现涡旋，部分粉尘颗粒也随烟气流回旋，最终积聚在第一层催化剂床层表面，图 6 SCR系统第一层催化剂床层入口位置目标截面速度分布云图（左：原始方案；右：优化方案）图 4 SCR反应器系统速度场分布云图（左：原始方案；右：优化方案）图 5 SCR反应器系统速度场分布流线图（左：原始方案；右：优化方案）图 7 SCR反应器系统压力场分布云图（左：原始方案；右：优化方案）工程应用Engineering Application75总165期 2023.03 混凝土世界参考文献1 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SCR反应器系统粉尘浓度场分布云图（左：原始方案；右：优化方案）