烧结烟气SCR脱硝反应器流场模拟与设计优化

烧结烟气SCR脱硝反应器流场模拟与设计
优化
选择性催化复原法(SCR)被认为是最适宜用作脱除烧结烟气氮氧化物的方法，而反应器内烟气速度分布的均匀性是决定系统脱硝效率及氨逃逸率的重要因素。

为了研究导流板、整流器等内构件对反应器内流场的影响，采用数值模拟的方法对流场开展计算，得到并比照了空塔及设置不同内构件时反应器内速度云图。

结果说明，在烟道弯头参加导流弧形板与直板组合以及在反应器本体参加整流器，可以有效改善流场均布性，对脱硝反应产生积极影响。

随着人们对环保要求的提高，烧结烟气治理成为钢铁企业的重要问题，对烟气开展脱硫脱硝治理是到达减排任务的关键途径。

20**年，国家环境保护局公布了《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》，规定了钢铁烧结及球团生产企业大气污染物排放限制，其中，对氮氧化物(NOX)的排放限值为300mg∕m3o
烧结工艺的最终废气基本还处于无序排放状态，仅仅通过减少燃料中的氮元素以及热废气循环利用已经无法到达标准限制，对烧结烟气开展末端治理即脱硝处理是最有效的减排方法。

常用的脱硝方法有选择性催化复原法(SCR)、选择性非催化复原法(SNCR)、活性炭/焦吸附法和催化氧化法等。

国内烧结烟气脱硝设施鲜有工程经验，借鉴电力行业锅炉脱硝方法，选择性催化复原(SCR)适宜用于钢铁企业烧结烟气脱硝处理。

中国钢铁行业烧结烟气的特点为：烟气量大且波动大;烟气温度波动大，一般处于120~18(TC；S02浓度变化大；粉尘浓度高；含湿量大;含氧量高，体积分数一般为12%~18%;含有多种污染物等。

因此，相比于燃煤烟气，烧结烟气脱硝的条件更加苛刻。

其中，烧结烟气温度较低这一特点对催化剂的性能要求及反应器内流场的均布程度要求更高。

当选择合适的低温催化剂后，反应器内流场的均匀性便显得尤为重要。

脱硝反应器内流场的均布程度具体表现为烟气进入催化剂首层前烟气的速度分布及烟气与复原剂的混合程度，均布程度将直接影响SCR脱硝系统的两大性能----------------- 脱硝效率及氨逃逸率。

因此，本文将采用数值模拟的方法，对SCR反应器开展数值计算，主要观察反应器内流场的分布情况，研究内部构造对其的影响。

1脱硝反应器几何模型
借鉴电力、焦化行业SCR反应器布置形式，设计图1所示用于烧结烟气脱硝的反应器。

该反应器主要由烟道、喷氨格栅、整流器和反应器本体组成，反应器本体内含2~3层催化剂。

图1SCR反应器几何模型
烟道入口尺寸高13m,竖直烟道高13%反应器本体高11.35m,设备总高19.65m,总宽8m,竖直烟道距反应器本体3.31m o 本文主要研究反应器内导流板及整流器对流场的影响，计算对象为反应器入口至反应器出口，不含喷氨格栅及催化剂层。

2脱硝反应器流场均布方案设计
因脱硝反应器及烟道布置受到空间、成本等因素的制约,通过增加导流板、整流器等内构件优化反应器构造的方法是目前的主流方向。

表1各方案内构件布置特点
设计了3种方案（表1）,包括在烟道弯头处设置导流板，在反应器本体、首层催化剂层前部设置整流器，构件尺寸及位置如图2和图3所示。

图2各弯头导流板布置
图3整流器布置
3脱硝反应器CFD模拟
3.1数学模型及边界条件
烟气由反应器入口进入，流量约为350000πι3∕h,压力为IOOPa o经过一段烟道后进入反应器本体，在烟道中与喷氨格栅喷入的氨气混合，烟道截面积及烟气流动方向有变化，因此为三维流动。

在数值模拟中作出如下假设：
（1）气体为理想状态；（2）流动是定常的；（3）系统绝热；（4）不考虑烟气中的粉尘；（5）不考虑反应器内的化学反应。

根据反应器内烟气流动时湍流的状态，计算采用标准k-£（Standardk-£）双方程为湍流模型。

采用分离求解器计算控制方程，压力-速度耦合采用S1MP1E格式，压力插值采用标准格式Standard,其余对流项插值采用二阶迎风格式SecondOrderUpwind o
为保证网格质量，对反应器开展分块网格划分，经过网格无关性计算，反应器网格总数约为150万。

采用速度入口，进口速度为10m∕s,温度为473K；采用压力出口，压力默认为初始值（大气压），温度为463K。

3.2模拟结果与分析
SCR脱硝方法对催化剂的性能要求以及反应器内流场的均布性要求很高，在选取适宜烧结烟气脱硝的低温催化剂后,系统脱硝效率及氨逃逸率基本取决于反应器内流场的均布性。

该模拟主要观察反应器入口、烟道顶部弯折角、反应器本体前部及催化剂首层前部的流场分布，比较不同方案对其的影响，优化内构件布置。

3.2.1导流板对反应器入口流场分布的影响（弯头1）
图4所示为反应器入口的速度云图。

图4反应器入口速度云图
烟气从水平烟道经过弯头1进入竖直烟道与氨混合，此处易产生速度梯度，从而形成回流，紊乱的气流会对烟气与氨的混合产生影响。

从图中看出，未加导流板（空塔）时，靠近左侧气流速度较大，从烟道左侧至右侧速度梯度较明显，烟道空间没有得到充分利用，且进入竖直烟道后气流较紊乱，流场分布不均匀；参加弧形导流板（方案1）后，烟道左侧仍存在高速区，但速度梯度减小，气流进入竖直烟道后流场分布得到改善；在弧形导流板的根底上参加直板（方案2）后，烟道左侧的高速区消失，烟道左侧至右侧速度梯度进一步减小，烟道空间得到充分利用，竖直烟道流场分布均匀。

3.2.2导流板对烟道顶部弯折角流场分布的影响（弯头2）
图5所示为烟道顶部弯折角速度云图。

图5烟道顶部弯折角速度云图
烟气与氨混合后从竖直烟道经过弯头2进入水平烟道，此处也易形成回流现象，且氨的参加会使得气流均匀性变差。

可以看出，3种方案的计算结果与反应器入口流场分布相似，空塔时烟道右侧存在高速区，左侧为低速区，烟道空间较浪费；参加弧形导流板后，流场分布得到改善；参加直板后，流场分布进一步改善，高速区及低速区消失，烟道空间充分利用，进入水平烟道后，气流不再紊乱。

3.2.3导流板对反应器本体前部流场分布的影响（弯头
图6所示为气流进入反应器本体前的速度云图。

图6反应器本体前部速度云图
烟气经过弯头3将进入反应器本体，随后进入催化剂层开展反应。

相比于空塔，导流板的设置对流场起到了分流的作用。

前者气流较紊乱，从上部至下部速度梯度明显；后者流场均匀性得到改善，速度梯度较小。

但导流板前后的流场仍存在回流，相比于反应器入口及烟道顶部弯折角处，此处导流板的设置对流场均匀性的改善作用比较微弱。

3.2.4导流板及整流器对反应器本体及出口流场分布的影响（首层催化剂前部）
烟气从狭窄的烟道进入反应器本体，气流不均匀性会加剧，在本体内形成严重的回流，对反应效率影响很大，且易造成催化剂利用不充分、堵塞等情况。

图7所示为反应器整体的速度云图。

图7反应器本体速度云图
从图中可以看出，空塔时气流进入反应器本体右侧速度明显高于左侧及中部，气流从烟道进入本体时直接流向右侧,造成严重的回流现象；气流进入出口后，因烟道转弯，在其右侧形成高速区，速度梯度较大，反应器本体及出口烟道空间都没有得到充分的利用。

参加导流板（方案1、2）后，反应器本体流场分布均匀性
并未得到改善，仍存在严重的回流现象；出口烟道气流受到导流板的作用，高速区减弱，流场分布较均匀。

在设置导流板的根底上，在反应器本体首层催化剂前部设置整流器（方案3）o可以看出，气流经过整流器后，速度梯度明显减小，流场分布均匀性得到较大改善，回流现象几乎不存在，反应器本体空间得到充分利用；气流进入出口烟道，高速区也进一步减弱，气流分布更均匀。

图8所示为首层催化剂前部速度云图。

图8首层催化剂前部速度云图
可以看出，未设置整流器的构造右侧速度明显大于左侧,导流板的参加并未改善流场分布的均匀性，而整流器的存在使得气流能够均匀地进入首层催化剂，从而使反应顺利开展。

4脱硝反应器温度分布
在燃煤烟气脱硝系统中，帆鸨钛系催化剂的活性温度窗口为320~420o C,最正确反应温度窗口主要集中于340~380o C,SCR脱硝反应效率到达最高,约90%］。

相比于燃煤脱硝，烧结烟气温度较低，约200o Co除了保证SCR反应器内流场分布均匀外，温度场的均匀分布对脱硝效率的提高及系统的稳定运行也是关键所在。

图9所示为反应器（方案3）中心截面及首层催化剂前部的温度场分布云图。

图9反应器温度场分布云图
可以看出，气流温度在烟道内几乎没有变化，随后进入反应
器本体至出口，靠近左边壁处虽然存在小部分气流温度变化明显，但整体分布较均匀，对脱硝反应有积极作用。

5结论
烧结烟气温度较低，脱硝条件苛刻，除了保证低温催化剂的性能外，SCR反应器内的流场分布对脱硝效率也有较大影响。

该模拟比照了空塔及设置不同内构件时反应器内速度分布情况，得出以下结论。

(I)SCR反应器未设置内构件时，流场分布紊乱，可以推测，空塔时脱硝效率不高，且催化剂利用不充分、易堵塞。

(2)在反应器内设置导流板，对弯头处的烟气起到了较好的分流作用，烟道空间得到充分利用。

(3)首层催化剂前部设置整流器，对反应器本体内流场分布均匀性改善作用明显，温度场分布也较均匀，有利于脱硝效率的提高及催化剂的有效利用。