烧结烟气SCR脱硝系统的数值模拟及工程验证.doc

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1、烧结烟气SCR脱硝系统的数值模拟及工程验证钢铁行业排放的废气中NOx是主要的污染物之一。烟气脱硝是钢铁厂烧结、焦炉烟气处理的重要部分。选择性催化还原(SCR)技术具有高效脱硝的优点，已得到广泛应用。科研人员从数值模拟和冷态模拟两方面对SCR的脱硝特性及其优化方法进行了大量研究。董建勋等利用数值模拟研究了氨浓度分布对脱硝效率和氨逃逸的影响。汤元强通过数值模拟进行了SCR反应器内流场的优化。NISCHT等采用数值模拟和冷态实验结合的方法，分析了入口烟气流速、温度和氨氮比等对SCR反应器后部流场和压力场的影响。刘小波等对SCR反应器建立相应数学模型，在数值模拟中通过添加导流板优化流场，并验证了优化方

2、案的合理性。朱天宇等利用计算流体动力学方法对SCR反应器内烟气流速、压力和浓度分布进行了优化。JIANG等对SCR反应器的流场和浓度场进行了数值模拟，通过优化导流板设计，降低了烟气流速偏差和氨浓度偏差。SCR技术因其高效的脱硝效率成为烧结烟气脱硝的首选工艺。但由于钢铁厂烧结烟气温度低、粉尘含量高、成分复杂、湿度大，若想将燃煤电厂中的SCR技术应用到钢铁厂还需要根据烟气情况及烟道形状进行优化设计。其中最需要解决的问题是烧结烟气温度较低，未达到SCR的最佳反应温度区。工业上一般对烧结烟气进行补热，使烟气温度提高到催化剂反应温度区。直接将焦炉烟气通到烧结烟气中会导致烧结烟气温度与流速分布不均匀，从而

3、影响SCR的脱硝效率。ZHOU等利用高温焦炉烟气横向射流紊动热混合方法解决了烧结烟气补热问题。本工作利用FLUENT软件对某钢厂烧结烟气SCR脱硝系统进行数值模拟优化，并对优化方案进行工程验证。1数值模拟方法1.1计算模型某钢厂600m2烧结机增设的烟气SCR脱硝系统，烧结烟气经过喷射装置、导流板、整流器等设备后，进入SCR反应器，NOx在催化剂表面被NH3还原为N2后，到达烟气再热器16。烧结烟气再热流程见图1。图1烧结烟气再热流程要求达到以下指标：1)在设计工况下，整个烧结烟气再热系统的压降不大于1600Pa;2)第一层催化剂入口的流场分布满足：a)流速的标准偏差系数不大于15%;b)烟气

4、入射催化剂层的角度(与垂直方向的夹角)最大为10;c)NOx与NH3摩尔比的标准偏差系数不大于5%。标准偏差系数是SCR反应器内各截面处参数的标准偏差占该截面参数的平均值的百分比。1.2几何模型计算流体动力学的模拟范围是烟气再热器入口和烟气再热器出口之间的烟道及内部结构，包括高温焦炉烟气喷射装置、扰流装置、导流板、整流器等。烧结烟气再热脱硝系统几何模型见图2。数值模拟中的烧结烟气再热脱硝系统网格划分见图3。图3烧结烟气再热脱硝系统网格划分全场采用结构化网格及部分非结构化网格。三维几何图形在GAMBIT软件中建模以及网格划分。由于整个脱硝装置的几何结构不规则，因此需要分块生成网格，以提高计算效率

5、和精度。1.3数学模型和边界条件整个脱硝装置内流场的数值模拟通过流场模拟软件FLUENT实现。采用Standardk-模型对湍流流动进行模拟。选用组分输运模型计算烟气成分和氨在烟气中的输运和扩散。整流器和催化剂层均采用多孔介质模型来模拟其阻流和减压特性，对于整流器在垂直格栅方向设置较大的阻力系数，对于催化剂层采用各向同性多孔介质模型进行简化。烟气参数见表1。将烧结烟气入口、高温焦炉烟气入口设置为质量流量边界条件。喷氨入口温度为313K，氨气流量为112.5kg/h，稀释空气流量为3500m3/h。表1烟气参数2数值模拟结果及分析2.1烧结烟气再热流场模拟高温焦炉烟气喷射出口温度分布见图4。图4

6、高温焦炉烟气出口温度分布由图4可见，通入高温焦炉烟气后提高了烧结烟气的温度，且高温焦炉烟气经过一定距离后和烧结烟气温度趋于一致。图5喷氨格栅入口烟气温度分布喷氨格栅入口烟气温度分布见图5。可以认为烟气在进入喷氨格栅入口时温度分布较为均匀。增设烧结烟气再热系统后，喷氨格栅入口平均温度由523K提升至553K，提高了30K，为催化剂层的SCR反应提供了较适宜的温度。2.2无导流板时流场模拟无导流板时烧结烟气再热脱硝装置内纵向截面的速度分布见图6。图6无导流板时纵向截面烟气速度分布由图6可见，无导流板时，在烟道弯头区域会出现明显的速度分布不均。无导流板时SCR反应器第一层催化剂入口处的速度分布见图7

7、a，速度标准偏差系数小于10%，满足技术要求;速度矢量分布见图7b，入口速度最大偏转角为12.0，超过10的技术要求;温度分布见图7c，温度偏差为9.5K，满足技术要求;氨的体积分数分布见图7d，氨分布较为不均，存在局部高浓度，会引起局部催化剂中毒，计算得到的氨与NOx摩尔比的标准偏差系数为6.28%，不满足小于5%的要求，这将严重影响SCR的脱硝效果。系统的总压降为1020Pa，满足技术要求。图7无导流板时第一层催化剂入口处的速度分布(a)、速度矢量分布(b)、温度分布(c)及氨的体积分数分布(d)2.3优化导流板后流场模拟优化设计的导流板包含烟道弯头处的2块弯板和反应器主体入口处的3块短板

8、。弯板可以有效减小上升烟气垂直方向的分量，使其顺弯板流动，减少烟气回流的发生;短板可将烟气引导至扰流层上方，减小速度的不均匀。优化导流板后纵向截面的烟气速度分布见图8。由图8可见，设置导流板后，烟气在烟道弯头处的速度均匀性明显提高，未产生烟气回流。图8优化导流板后纵向截面的烟气速度分布优化导流板后SCR反应器第一层催化剂入口处的速度分布见图9a，速度标准偏差系数小于10%，满足技术要求;速度矢量分布见图9b，入口速度最大偏转角仅为8.2，满足技术要求;温度分布见图9c，温度偏差为7.8K，满足技术要求;氨的体积分数分布见图9d，相比无导流板工况，均匀性明显提高，氨与NOx摩尔比的标准偏差系数降

9、至4.11%，满足技术要求。系统的总压降为1039Pa，满足技术要求。图9优化导流板后第一层催化剂入口处的速度分布(a)、速度矢量分布(b)、温度分布(c)及氨的体积分数分布(d)3工程验证基于数值模拟的优化结果，对某钢厂烧结机组的SCR系统进行流场优化运行，各项指标的标准值和实测值见表2。由表2可见，各项指标的实测值均达到标准值。表2各项指标的标准值和实测值4结论a)利用数值模拟优化了某钢厂烧结烟气的SCR脱硝系统，将高温焦炉烟气喷入烧结烟气后，喷氨格栅入口平均温度由523K提升至553K，提高了30K，为催化剂层的SCR反应提供了较适宜的温度。b)当烧结烟气再热脱硝装置烟道内无导流板时，SCR反应器第一层催化剂入口处的速度最大偏转角为12.0，超过10的技术要求，氨与NOx摩尔比的标准偏差系数较大，为6.28%，不满足小于5%的技术要求。通过在烟道弯头处和反应器主体入口处添加导流板，有效消除了烟道内的回流区，第一层催化剂入口处速度最大偏转角仅为8.2，氨与NOx摩尔比的标准偏差系数降至4.11%，均达到技术要求。c)SCR反应器脱硝率为82.6%，达到标准要求，数值模拟结果为烧结烟气SCR脱硝装置的高效能运行提供了保障。图2烧结烟气再热脱硝系统几何模型1高温焦炉气烟气喷射装置;2喷氨格栅;3导流板1;4导流板2;5整流器;6-9催化剂层8