燒結煙氣SCR脫硝反應器流場模擬與設計優化

王美春

摘要：選擇性催化還原法，即SCR，被認作是最適合用于脫除燒結煙氣氮氧化物的核心技術。其中，反應器內煙氣速度分布是否均勻，成為決定系統脫硝效率與降低氮氧化物濃度的重要保障。針對于此，我們必須對導流板、整流器等內部構件的分布情況進行綜合分析，明確其對反應器內部流場的實際影響。文章主要結合燒結煙氣SCR脫硝反應器的實際應用與原理，進一步分析SCR脫硝反應器流場模擬流程。并在此基礎上，提出關于燒結煙氣SCR脫硝反應器設計的優化方法，以供參考。

關鍵詞：燒結煙氣：SCR脫硝反應器；流場模擬；設計優化

氮氧化物作為加劇大氣污染成為的主要成分之一，不僅會對空氣質量造成嚴重危害，同時也會對人身安全造成嚴重危害，必須對其的管控工作予以高度重視。經過多年的發展與實踐，我國氮氧化物的脫除技術與相關方法逐漸發展成熟，應用范圍較寬泛。其中，選擇性催化還原（SCR）技術憑借自身氮氧化物脫除效率高、操作簡便以及清潔性等方面應用優勢，逐漸成為我國脫除氮氧化物的核心技術。目前，以SCR為主的脫硝反應器得到廣泛應用，應用效果較顯著。然而，介于燃煤電站SCR脫硝系統煙氣流動距離短等方面的不利因素影響，SCR脫硝反應器應該得到進一步優化。

1 SCR脫硝反應器的物理模型

一般來說， SCR脫硝反應的煙氣都會進入進口處煙道-噴氨段煙道-過渡煙道-催化劑層-出口處等結構當中。結合鍋爐實際尾部煙道結構來看，SCR脫硝反應器大體上由水平煙道、氨噴射隔柵、催化劑床層等結構組成。其中，SCR噴氨點往往設置在省煤器出口與空氣預熱器前的位置，基本上與第一層催化劑入口截面距離相差甚遠[1]。

目的在于確保SCR催化劑表面分布速度能夠滿足預期設定要求。如此，在進入煙道位置的時候，設計人員可以在轉彎處，設置合理的導流板，便于SCR脫硝反應器入口位置處，能夠根據散流器特性，達到改善SCR反應器內部流場的目的。上述SCR脫硝反應器物理模型是我國當前普遍應用的結構方式，取得的脫硝效果還是比較顯著的，值得推廣與應用。

2 SCR脫硝反應器流場模擬方法

2.1 模型構建與假設

介于SCR煙氣脫硝過程涉及到的工序內容眾多且復雜程度高，使得部分傳熱傳質、煙氣與還原劑之間會發生比較明顯的化學反應。如果想從本質上實現燒結煙氣SCR脫硝反應流場模擬要求，我們就必須立足于工程實際條件，對現有的SCR模擬系統進行合理構建與假設[2]。具體如下：

煙氣必須為理想氣體；流體方向屬于定常流動；假設系統需要確保絕熱功能；設計過程中不考慮任何化學反應；不考慮煙塵顆粒等方面的不利影響；催化劑層最好選用多孔介質模型，并根據實際情況進行合理的壓降處理。在數學模型與相關控制方程正式建立之前，研究人員必須嚴格遵守上述假設條件，以確保最終的實踐效果。

2.2 控制方程建立

2.2.1 多孔介質模型

我們根據SCR反應器內煙氣流動的實際特點，對現有蜂窩狀的催化劑層進行合理模擬。根據模擬結果顯示，如果按照實際尺寸對現有的網格進行有效劃分，不難發現網格數量將會大幅度增加。文章主要以多孔介質處理為研究對象，利用連續相動量方程對當前流場模擬效果進行合理處理。在具體模擬過程中，多孔介質模型主要對催化劑層結構、煙氣各組分進行合理模擬。在控制方程離散方面主要采取控制容積法進行計算與處理，目的在于根據SCR脫硝系統數值，確定入口煙氣成分與各成分的基本參數[3]。

2.2.2 控制方程與入口、出口及邊界條件

SCR反應器內的流程和反應過程中需要嚴格遵守質量守恒定律以及能量守恒定律。介于反應器整體的流動方式為湍流方式，在計算與求解方面，需要對控制方程進行雷諾平均處理，以便求得平均流控制方程。結合以往的經驗來看，平均流控制方程可以分為連續性方程、動量方程等形式。在入口、出口以及邊界條件方面，進入SCR脫硝反應器的煙氣密度必須要確保ρ=0.660kg/m3，與此同時，v=15m/s。出口處應該適當采用合適的壓力條件進行處理，且固體壁面邊界位置處，最好不存在滑移或者熱傳導等條件，確保SCR脫硝反應器流場的模擬效果。

3 SCR脫硝反應器流場模擬結果與設計優化

根據上述模擬模型與控制方程進行合理設計，大致可以明確：如果SCR反應器內并沒有設置任何的導流板設施，介于煙道自身結構的影響，SCR脫硝反應器流場難以得到均勻分布。與此同時，如果煙氣進入水平煙道位置的時候，位于煙道左側壁面的方向處，將會出現明顯的回流問題。如此一來，SCR脫硝效率無法得到切實提高。為了確保流場分布效果，建議相關人員可以在反應器內部設置合理的導流板。需要注意的是，相關人員需要結合脫硝速率，選擇合理的導流板，確保流場速度得以有效提升。

究其原因，主要是因為導流板可以起到改善SCR反應器流場分布效果的作用，基本上可以確保流場均勻性特點不受損。根據實踐效果來看，以往出口處速度存在不均勻問題的主要原因在于弧形導流板設計不合理。針對于此，建議相關人員可以選擇采用直弧形導流板進行處理，摒棄以往非均勻布置情況。總而言之，導流板對于SCR脫硝反應器的應用效果而言，具有重要促進意義。針對于此，建議相關人員可以根據實際情況，選擇合理的導流板數目，達到優化設計目的。

4結論

通過文章的相關分析與總結，我們大致可以了解到燒結煙氣SCR脫硝反應器流場模擬與設計優化方法，基本上可以有效解決以往煙氣流動距離短或者煙氣截面尺寸過大等問題。本優化設計方案嚴格遵照SCR反應器中煙氣流場分布要求，進一步結合新型煙氣分布裝置，改進煙氣流場存在的不足。并在此基礎上，適當改進催化劑入口時的煙氣入射角度，目的在于切實提高催化劑的應用效率。最后，希望通過文章的相關敘述，可以為相關人員提供一定的借鑒價值，達成脫硝目的。

參考文獻：

[1]文雅. 燃煤機組SCR脫硝系統的優化設計分析[A]. 浙江省科協、上海市科協、江蘇省科協.推進能源生產和消費革命——第十屆長三角能源論壇論文集[C].浙江省科協、上海市科協、江蘇省科協：，2013：4.

[2]張志威. SD集團#3鍋爐煙氣SCR脫硝改造工程應用研究[D].中國石油大學（華東），2016.

[3]劉學炎，梁平，李世遠，倪海波，李澤清. SNCR-SCR脫硝技術在CFB爐中的應用[J]. 廣東化工，2018（14）：110-111.

（作者單位：四川蘇源環保工程有限公司江蘇分公司）