SCR脫硝系統波紋板混合器流場研究

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(1.北京洛卡環保技術有限公司,遼寧 沈陽 110000;2.鄭州鍋爐股份有限公司,河南 鄭州 450000)

1 引言

近年來， 大氣霧霾對人們生活和健康影響日益嚴重，燃煤電廠排放出的NOx是大氣污染物罪魁禍首之一。選擇性催化還原(SCR)技術是當前世界上主流的煙氣脫硝工藝，為了滿足國家對NOx 超低排放的要求，多數燃煤電站需進行SCR 脫硝工程改造[1-3]。 在實際脫硝改造工程中 ，新裝催化劑整體效率達標，但隨著活性衰退，氨氮摩爾比偏差的問題逐漸暴露出來， 直觀表現為脫硫脫硝CEMS偏差變大、氨耗量增大、空預器堵塞等； 現役機組在調試和性能測試的BMCR或高負荷條件下煙氣NOx排放能夠達標，但在機組靈活調峰的低負荷條件下，NH3和NOx不匹配，脫硝效率下降，氨逃逸升高； 部分脫硝提效項目，加裝了備用層催化劑，雖然實現了煙氣NOx的超低排放，但同時也帶來了氨逃逸過大，空預器堵塞加劇的問題。這一系列問題原因在于催化劑上層流場及NOx/NH3濃度場分布不均，NOx/NH3與煙氣混合效果不理想。脫硝效率越高的SCR系統對NOx/NH3與煙氣混合效果要求越高，應對超低排放需要更加高超的混合技術。

為實現上述目標，國內外學者進行了大量的科學研究 ，嘗試通過在SCR 系統內布置混合部件等來保證良好的流場及濃度場均勻分布特性。吳衛紅等提出一種X 型靜態混合器，此X 型靜態混合器能夠有效提高氨氣與煙氣的混合均勻程度，減少噴嘴數量，簡化噴氨格柵及其控制系統，滿足SCR 脫硝工程對靜態混合器的設計要求；蔡巧梅研發一種仿樹葉型混合元件，利用數值計算和試驗的方法得出仿柳葉型混合元件下游的湍動能和耗散率最大，混合效果最好。可見在脫硝系統煙道中增設混合器能夠使NOx/NH3與煙氣充分混合，縮短混合距離。

為了加大NOx/NH3與煙氣的混合，本文研發了波紋板混合器，并已將之應用在某電廠2×320MW機組SCR 脫硝系統，通過數值模擬研究波紋板混合器對于煙道內煙氣和氮氧化物的混合均勻能力，主要從進口不同的NO濃度分布和波紋板混合器的角度兩個方面來研究煙道進出口的壓力變化情況和出口NO濃度均勻性改善情況，尋找規律為以后波紋板混合器設計提供合理化建議。

2 研究對象

圖1 三維模型Fig.1 Three-dimensional model

圖2 折流板尺Fig.2 baffle size

煙道截面尺寸2.4m×12m，煙道總長度20m，在距離入口5m處設置波紋板混合器；波紋板混合器為2層折流板結構，折流板截面尺寸見圖2；相鄰兩層折流板按20度角度錯列布置；波紋板混合器外形尺寸為2.4m×2m×12m。

3 計算結果分析

3.1 算例1 進口不同NO濃度分布

滿負荷情況下，假設煙道進口NO相對標準偏差都是相同的，只是進口濃淡分布規律有所不同，其他邊界條件都相同，工況一是進口左側濃度偏高；工況二是中間濃度偏高；工況三是隨機分散分布，計算結果如圖3～圖8。

圖3 工況一壓力云圖Fig.3 Condition one pressure cloud

圖4 工況一NO濃度云圖Fig.4 Condition one NO concentration cloud

圖5 工況二壓力云圖Fig.5 Condition two pressure cloud

圖6 工況二NO濃度云圖Fig.6 Condition two NO concentration cloud

圖7 工況三壓力云圖Fig.7 Condition three pressure cloud

圖8 工況三NO濃度云圖Fig.8 Condition three NO concentration cloud 表1 算例1 計算結果Table 1 Example 1 the calculation results

壓力/PaNO濃度相對標準偏差/%進口出口阻力進口出口差值工況且-555-562721.7319.332.4工況且-555-562721.7315.316.42工況3-555-562721.736.3815.35

由表1得知，此種波紋板混合器對進口隨機分散分布的NO有較好的混合均勻能力均勻性改善了15.35%，其次是中間濃度高的工況，均勻性改善6.42%，最差的是一邊濃度高的工況，僅改善2.4%。此種波紋板混合器更適用于進口NO均勻分散分布的情況。

3.2 算例2波紋板混合器不同角度

其他參數設置都相同，僅波紋板混合器上下折流板角度不同，工況一角度為20度；工況二角度為30度；工況三角度為50度。計算結果如圖9～圖14，表2。

圖9 工況一 壓力云圖Fig.9 Condition one pressure cloud

圖10 工況一NO濃度云圖Fig.10 Condition one NO concentration cloud

圖11 工況二壓力云圖Fig.11 Condition two pressure cloud

圖12 工況二NO濃度云圖Fig.12 Condition two NO concentration cloud

圖13 工況三壓力云圖Fig.13 Condition three pressure cloud

圖14 工況三No濃度云圖Fig.14 Condition three NO concentration cloud 表2 算例2計算結果Table 2 Example2 the calculation results

壓力/PaNO濃度相對標準偏差/%進口出口阻力進口出口差值工況一-555-562721.7319.332.4工況二-552-5621021.73192.73工況三-538-5612321.7315.676.06

圖15 阻力和NO濃度改善隨混合器角度變化

Fig.15 Resistance and NO concentration improving with mixer angle change

隨著波紋板混合器的上下兩塊折流板角度增大，波紋板混合器對煙道阻力逐漸增大，對NO濃度混合能力增加，見圖15，在角度為50度時NO濃度相對標準偏差由進口21.73%降低到15.67%，改善了6.06%。

4 結論

(1)波紋板混合器更適用于進口NO均勻分散分布的情況，出口NO濃度均勻性改善較大。

(2)增加波紋板混合器角度，波紋板混合器阻力增加，出口NO濃度均勻性明顯改善。