選擇性催化還原法(SCR)被認為是最適宜用作脫除燒結(jié)煙氣氮氧化物的方法，而反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度分布的均勻性是決定系統(tǒng)脫硝效率及氨逃逸率的重要因素。

為了研究導(dǎo)流板、整流器等內(nèi)構(gòu)件對反應(yīng)器內(nèi)流場的影響，采用數(shù)值模擬的方法對流場進行計算，得到并對比了空塔及設(shè)置不同內(nèi)構(gòu)件時反應(yīng)器內(nèi)速度云圖。

結(jié)果表明，在煙道彎頭加入導(dǎo)流弧形板與直板組合以及在反應(yīng)器本體加入整流器，可以有效改善流場均布性，對脫硝反應(yīng)產(chǎn)生積極影響。

隨著人們對環(huán)保要求的提高，燒結(jié)煙氣治理成為鋼鐵企業(yè)的重要問題，對煙氣進行脫硫脫硝治理是達到減排任務(wù)的關(guān)鍵途徑。

2012年，國家環(huán)境保護局頒布了《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標準》，規(guī)定了鋼鐵燒結(jié)及球團生產(chǎn)企業(yè)大氣污染物排放限制，其中，對氮氧化物(NOx)的排放限值為300mg/m3。

燒結(jié)工藝的最終廢氣基本還處于無序排放狀態(tài)，僅僅通過減少燃料中的氮元素以及熱廢氣循環(huán)利用已經(jīng)無法達到標準限制，對燒結(jié)煙氣進行末端治理即脫硝處理是最有效的減排方法。

常用的脫硝方法有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、活性炭/焦吸附法和催化氧化法等。

國內(nèi)燒結(jié)煙氣脫硝設(shè)施鮮有工程經(jīng)驗，借鑒電力行業(yè)鍋爐脫硝方法，選擇性催化還原(SCR)適宜用于鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣脫硝處理。

中國鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣的特點為：煙氣量大且波動大;煙氣溫度波動大，一般處于120～180℃;SO2濃度變化大;粉塵濃度高;含濕量大;含氧量高，體積分數(shù)一般為12%～18%;含有多種污染物等。

因此，相比于燃煤煙氣，燒結(jié)煙氣脫硝的條件更加苛刻。其中，燒結(jié)煙氣溫度較低這一特點對催化劑的性能要求及反應(yīng)器內(nèi)流場的均布程度要求更高。當選擇合適的低溫催化劑后，反應(yīng)器內(nèi)流場的均勻性便顯得尤為重要。

脫硝反應(yīng)器內(nèi)流場的均布程度具體表現(xiàn)為煙氣進入催化劑首層前煙氣的速度分布及煙氣與還原劑的混合程度，均布程度將直接影響SCR脫硝系統(tǒng)的兩大性能———脫硝效率及氨逃逸率。

因此，本文將采用數(shù)值模擬的方法，對SCR反應(yīng)器進行數(shù)值計算，主要觀察反應(yīng)器內(nèi)流場的分布情況，研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)對其的影響。

1脫硝反應(yīng)器幾何模型

借鑒電力、焦化行業(yè)SCR反應(yīng)器布置形式，設(shè)計圖1所示用于燒結(jié)煙氣脫硝的反應(yīng)器。該反應(yīng)器主要由煙道、噴氨格柵、整流器和反應(yīng)器本體組成，反應(yīng)器本體內(nèi)含2～3層催化劑。

圖1 SCR反應(yīng)器幾何模型

煙道入口尺寸高1.3m，豎直煙道高13m，反應(yīng)器本體高11.35m，設(shè)備總高19.65m，總寬8m，豎直煙道距反應(yīng)器本體3.31m。

本文主要研究反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流板及整流器對流場的影響，計算對象為反應(yīng)器入口至反應(yīng)器出口，不含噴氨格柵及催化劑層。

2脫硝反應(yīng)器流場均布方案設(shè)計

因脫硝反應(yīng)器及煙道布置受到空間、成本等因素的制約，通過增加導(dǎo)流板、整流器等內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的方法是目前的主流方向。

表1各方案內(nèi)構(gòu)件布置特點

設(shè)計了3種方案(表1)，包括在煙道彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板，在反應(yīng)器本體、首層催化劑層前部設(shè)置整流器，構(gòu)件尺寸及位置如圖2和圖3所示。

圖2各彎頭導(dǎo)流板布置

圖3 整流器布置

3脫硝反應(yīng)器CFD模擬

3.1數(shù)學(xué)模型及邊界條件

煙氣由反應(yīng)器入口進入，流量約為350000m3/h，壓力為100Pa。經(jīng)過一段煙道后進入反應(yīng)器本體，在煙道中與噴氨格柵噴入的氨氣混合，煙道截面積及煙氣流動方向有變化，因此為三維流動。

在數(shù)值模擬中作出如下假設(shè)：

(1)氣體為理想狀態(tài);(2)流動是定常的;(3)系統(tǒng)絕熱;(4)不考慮煙氣中的粉塵;(5)不考慮反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)煙氣流動時湍流的狀態(tài)，計算采用標準k-ε(Standardk-ε)雙方程為湍流模型。采用分離求解器計算控制方程，壓力-速度耦合采用SIMPLE格式，壓力插值采用標準格式Standard，其余對流項插值采用二階迎風格式Second Order Upwind。

為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對反應(yīng)器進行分塊網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性計算，反應(yīng)器網(wǎng)格總數(shù)約為150萬。采用速度入口，進口速度為10m/s，溫度為473K;采用壓力出口，壓力默認為初始值(大氣壓)，溫度為463K。

3.2模擬結(jié)果與分析

SCR脫硝方法對催化劑的性能要求以及反應(yīng)器內(nèi)流場的均布性要求很高，在選取適宜燒結(jié)煙氣脫硝的低溫催化劑后，系統(tǒng)脫硝效率及氨逃逸率基本取決于反應(yīng)器內(nèi)流場的均布性。

該模擬主要觀察反應(yīng)器入口、煙道頂部彎折角、反應(yīng)器本體前部及催化劑首層前部的流場分布，比較不同方案對其的影響，優(yōu)化內(nèi)構(gòu)件布置。

3.2.1導(dǎo)流板對反應(yīng)器入口流場分布的影響(彎頭1)

圖4所示為反應(yīng)器入口的速度云圖。

圖4 反應(yīng)器入口速度云圖

煙氣從水平煙道經(jīng)過彎頭1進入豎直煙道與氨混合，此處易產(chǎn)生速度梯度，從而形成回流，紊亂的氣流會對煙氣與氨的混合產(chǎn)生影響。

從圖中看出，未加導(dǎo)流板(空塔)時，靠近左側(cè)氣流速度較大，從煙道左側(cè)至右側(cè)速度梯度較明顯，煙道空間沒有得到充分利用，且進入豎直煙道后氣流較紊亂，流場分布不均勻;加入弧形導(dǎo)流板(方案1)后，煙道左側(cè)仍存在高速區(qū)，但速度梯度減小，氣流進入豎直煙道后流場分布得到改善;在弧形導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上加入直板(方案2)后，煙道左側(cè)的高速區(qū)消失，煙道左側(cè)至右側(cè)速度梯度進一步減小，煙道空間得到充分利用，豎直煙道流場分布均勻。

3.2.2導(dǎo)流板對煙道頂部彎折角流場分布的影響(彎頭2)

圖5所示為煙道頂部彎折角速度云圖。

圖5煙道頂部彎折角速度云圖

煙氣與氨混合后從豎直煙道經(jīng)過彎頭2進入水平煙道，此處也易形成回流現(xiàn)象，且氨的加入會使得氣流均勻性變差。

可以看出，3種方案的計算結(jié)果與反應(yīng)器入口流場分布相似，空塔時煙道右側(cè)存在高速區(qū)，左側(cè)為低速區(qū)，煙道空間較浪費;加入弧形導(dǎo)流板后，流場分布得到改善;加入直板后，流場分布進一步改善，高速區(qū)及低速區(qū)消失，煙道空間充分利用，進入水平煙道后，氣流不再紊亂。

3.2.3導(dǎo)流板對反應(yīng)器本體前部流場分布的影響(彎頭3)

圖6所示為氣流進入反應(yīng)器本體前的速度云圖。

圖6 反應(yīng)器本體前部速度云圖

煙氣經(jīng)過彎頭3將進入反應(yīng)器本體，隨后進入催化劑層進行反應(yīng)。

相比于空塔，導(dǎo)流板的設(shè)置對流場起到了分流的作用。前者氣流較紊亂，從上部至下部速度梯度明顯;后者流場均勻性得到改善，速度梯度較小。

但導(dǎo)流板前后的流場仍存在回流，相比于反應(yīng)器入口及煙道頂部彎折角處，此處導(dǎo)流板的設(shè)置對流場均勻性的改善作用比較微弱。

3.2.4導(dǎo)流板及整流器對反應(yīng)器本體及出口流場分布的影響(首層催化劑前部)

煙氣從狹窄的煙道進入反應(yīng)器本體，氣流不均勻性會加劇，在本體內(nèi)形成嚴重的回流，對反應(yīng)效率影響很大，且易造成催化劑利用不充分、堵塞等情況。

圖7所示為反應(yīng)器整體的速度云圖。

圖7 反應(yīng)器本體速度云圖

從圖中可以看出，空塔時氣流進入反應(yīng)器本體右側(cè)速度明顯高于左側(cè)及中部，氣流從煙道進入本體時直接流向右側(cè)，造成嚴重的回流現(xiàn)象;氣流進入出口后，因煙道轉(zhuǎn)彎，在其右側(cè)形成高速區(qū)，速度梯度較大，反應(yīng)器本體及出口煙道空間都沒有得到充分的利用。

加入導(dǎo)流板(方案1、2)后，反應(yīng)器本體流場分布均勻性并未得到改善，仍存在嚴重的回流現(xiàn)象;出口煙道氣流受到導(dǎo)流板的作用，高速區(qū)減弱，流場分布較均勻。

在設(shè)置導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，在反應(yīng)器本體首層催化劑前部設(shè)置整流器(方案3)。可以看出，氣流經(jīng)過整流器后，速度梯度明顯減小，流場分布均勻性得到較大改善，回流現(xiàn)象幾乎不存在，反應(yīng)器本體空間得到充分利用;氣流進入出口煙道，高速區(qū)也進一步減弱，氣流分布更均勻。

圖8所示為首層催化劑前部速度云圖。

 

圖8 首層催化劑前部速度云圖

可以看出，未設(shè)置整流器的結(jié)構(gòu)右側(cè)速度明顯大于左側(cè)，導(dǎo)流板的加入并未改善流場分布的均勻性，而整流器的存在使得氣流能夠均勻地進入首層催化劑，從而使反應(yīng)順利進行。

4脫硝反應(yīng)器溫度分布

在燃煤煙氣脫硝系統(tǒng)中，釩鎢鈦系催化劑的活性溫度窗口為320～420℃，最佳反應(yīng)溫度窗口主要集中于340～380℃，SCR脫硝反應(yīng)效率達到最高，約90%]。

相比于燃煤脫硝，燒結(jié)煙氣溫度較低，約200℃。除了保證SCR反應(yīng)器內(nèi)流場分布均勻外，溫度場的均勻分布對脫硝效率的提高及系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也是關(guān)鍵所在。

圖9所示為反應(yīng)器(方案3)中心截面及首層催化劑前部的溫度場分布云圖。

 

圖9反應(yīng)器溫度場分布云圖

可以看出，氣流溫度在煙道內(nèi)幾乎沒有變化，隨后進入反應(yīng)器本體至出口，靠近左邊壁處雖然存在小部分氣流溫度變化明顯，但整體分布較均勻，對脫硝反應(yīng)有積極作用。

5結(jié)論

燒結(jié)煙氣溫度較低，脫硝條件苛刻，除了保證低溫催化劑的性能外，SCR反應(yīng)器內(nèi)的流場分布對脫硝效率也有較大影響。該模擬對比了空塔及設(shè)置不同內(nèi)構(gòu)件時反應(yīng)器內(nèi)速度分布情況，得出以下結(jié)論。

(1)SCR反應(yīng)器未設(shè)置內(nèi)構(gòu)件時，流場分布紊亂，可以推測，空塔時脫硝效率不高，且催化劑利用不充分、易堵塞。

(2)在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板，對彎頭處的煙氣起到了較好的分流作用，煙道空間得到充分利用。

(3)首層催化劑前部設(shè)置整流器，對反應(yīng)器本體內(nèi)流場分布均勻性改善作用明顯，溫度場分布也較均勻，有利于脫硝效率的提高及催化劑的有效利用。