選擇性催化還原法(SCR)被認為是最適宜用作(zuo)脫(tuo)除燒結煙氣氮氧化物的(de)(de)方(fang)法，而反(fan)應(ying)器內煙氣速(su)度分布的(de)(de)均勻(yun)性是決(jue)定(ding)系統脫(tuo)硝效率及(ji)氨逃逸(yi)率的(de)(de)重(zhong)要因素。

為了(le)(le)研究(jiu)導流板、整流器等內構件(jian)對反應器內流場(chang)的影(ying)響，采用數(shu)值模(mo)擬的方法對流場(chang)進行計(ji)算，得到并對比了(le)(le)空(kong)塔及(ji)設置不同內構件(jian)時(shi)反應器內速度云圖。

結果表明(ming)，在煙道彎頭加入導流弧形板(ban)與直(zhi)板(ban)組(zu)合以及在反應器(qi)本體加入整流器(qi)，可以有效改善(shan)流場均布性，對脫硝反應產(chan)生積極影響。

隨著人們對環(huan)保(bao)要(yao)求(qiu)的提高，燒結煙氣治(zhi)理成為鋼鐵企(qi)業的重(zhong)要(yao)問題，對煙氣進(jin)行脫硫脫硝治(zhi)理是達到(dao)減排(pai)任務(wu)的關鍵途(tu)徑。

2012年，國家環(huan)境保護局頒布了《鋼鐵燒結、球(qiu)團工業大氣污(wu)染物排放(fang)標準》，規(gui)定(ding)了鋼鐵燒結及球(qiu)團生(sheng)產企業大氣污(wu)染物排放(fang)限制，其中，對(dui)氮氧化物(NOx)的排放(fang)限值為300mg/m3。

燒結(jie)(jie)工(gong)藝的(de)最終廢氣基本還處于無(wu)序排(pai)放(fang)狀(zhuang)態，僅(jin)僅(jin)通過減少(shao)燃料中的(de)氮元(yuan)素以及熱廢氣循環利用已經(jing)無(wu)法(fa)達到標準限制，對(dui)燒結(jie)(jie)煙氣進行末端治理(li)即脫(tuo)硝處理(li)是最有效的(de)減排(pai)方法(fa)。

常用(yong)的脫硝方(fang)法(fa)有選(xuan)擇(ze)性(xing)催化(hua)還原(yuan)法(fa)(SCR)、選(xuan)擇(ze)性(xing)非催化(hua)還原(yuan)法(fa)(SNCR)、活性(xing)炭/焦(jiao)吸附法(fa)和催化(hua)氧化(hua)法(fa)等。

 國內燒(shao)結煙氣(qi)脫(tuo)(tuo)硝(xiao)設(she)施(shi)鮮有工(gong)程經驗，借鑒電力行業(ye)(ye)鍋爐脫(tuo)(tuo)硝(xiao)方(fang)法，選擇性催化還原(SCR)適(shi)宜(yi)用于鋼鐵企業(ye)(ye)燒(shao)結煙氣(qi)脫(tuo)(tuo)硝(xiao)處理。

中國鋼鐵行業燒結煙(yan)(yan)氣的特點為(wei)：煙(yan)(yan)氣量(liang)大(da)且波(bo)動(dong)(dong)大(da);煙(yan)(yan)氣溫(wen)度(du)波(bo)動(dong)(dong)大(da)，一(yi)般(ban)處(chu)于120～180℃;SO2濃度(du)變化大(da);粉塵濃度(du)高;含(han)濕量(liang)大(da);含(han)氧量(liang)高，體積分數一(yi)般(ban)為(wei)12%～18%;含(han)有多(duo)種污染(ran)物等。

因此，相比于燃(ran)煤煙氣(qi)(qi)，燒結(jie)煙氣(qi)(qi)脫(tuo)硝的條(tiao)件更加(jia)苛刻。其中，燒結(jie)煙氣(qi)(qi)溫(wen)度較低(di)這一(yi)特(te)點(dian)對催化(hua)劑的性能要(yao)(yao)求(qiu)及反(fan)應器內流場的均布程度要(yao)(yao)求(qiu)更高(gao)。當選(xuan)擇(ze)合(he)適的低(di)溫(wen)催化(hua)劑后，反(fan)應器內流場的均勻性便顯得尤為重要(yao)(yao)。

脫(tuo)硝(xiao)反應器內流場的(de)均布(bu)程(cheng)度具體(ti)表現(xian)為煙氣(qi)(qi)進入催化劑(ji)首層前煙氣(qi)(qi)的(de)速度分布(bu)及(ji)煙氣(qi)(qi)與還原劑(ji)的(de)混合程(cheng)度，均布(bu)程(cheng)度將直接影響SCR脫(tuo)硝(xiao)系統的(de)兩大性能———脫(tuo)硝(xiao)效率(lv)及(ji)氨逃逸率(lv)。

因此(ci)，本(ben)文將采用數值(zhi)模擬的方(fang)法(fa)，對SCR反(fan)應器進行數值(zhi)計算，主要(yao)觀察反(fan)應器內(nei)流場的分(fen)布(bu)情況，研(yan)究內(nei)部結構對其的影(ying)響。

1脫硝(xiao)反應器幾(ji)何模型

借鑒電力、焦化行業SCR反應(ying)器(qi)(qi)(qi)布置形式，設計(ji)圖(tu)1所示用于(yu)燒結煙(yan)氣脫硝(xiao)的反應(ying)器(qi)(qi)(qi)。該(gai)反應(ying)器(qi)(qi)(qi)主要由煙(yan)道、噴氨格柵、整流器(qi)(qi)(qi)和反應(ying)器(qi)(qi)(qi)本(ben)體(ti)組成，反應(ying)器(qi)(qi)(qi)本(ben)體(ti)內含2～3層(ceng)催(cui)化劑。

圖(tu)1 SCR反應器幾(ji)何模(mo)型

煙(yan)道入口尺寸高(gao)1.3m，豎直(zhi)(zhi)煙(yan)道高(gao)13m，反應器本(ben)體高(gao)11.35m，設備總(zong)高(gao)19.65m，總(zong)寬8m，豎直(zhi)(zhi)煙(yan)道距反應器本(ben)體3.31m。

本文主要研究(jiu)反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內導流(liu)板(ban)及整流(liu)器(qi)對流(liu)場的影響，計算對象為反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)入口(kou)至反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)出口(kou)，不含噴氨格柵(zha)及催化劑層(ceng)。

2脫(tuo)硝反應(ying)器(qi)流場均(jun)布方案設計(ji)

因脫(tuo)硝反應器(qi)(qi)及(ji)煙(yan)道布置受到(dao)空間、成本等因素的制約，通(tong)過增加導流(liu)板、整(zheng)流(liu)器(qi)(qi)等內構件優化反應器(qi)(qi)結構的方法是目前的主(zhu)流(liu)方向(xiang)。

表1各(ge)方(fang)案內構(gou)件布置特點

設計了3種方案(an)(表1)，包括在(zai)煙道彎頭處設置(zhi)導流板，在(zai)反應器(qi)本體、首(shou)層催化劑層前(qian)部設置(zhi)整流器(qi)，構件尺寸及位置(zhi)如圖2和圖3所示(shi)。

圖2各彎頭導流板布置

圖3 整流器(qi)布置

3脫硝反應器CFD模擬

3.1數學模型(xing)及(ji)邊界條件

煙(yan)氣由(you)反(fan)應器(qi)入口進(jin)入，流量約(yue)為(wei)350000m3/h，壓力為(wei)100Pa。經過一段煙(yan)道(dao)后(hou)進(jin)入反(fan)應器(qi)本(ben)體(ti)，在煙(yan)道(dao)中與噴氨(an)格柵(zha)噴入的氨(an)氣混合，煙(yan)道(dao)截面積及煙(yan)氣流動(dong)方向有變(bian)化，因此(ci)為(wei)三維(wei)流動(dong)。

在(zai)數值(zhi)模擬中(zhong)作出如下假設：

(1)氣(qi)體為理想(xiang)狀態;(2)流動是定(ding)常的;(3)系統絕熱;(4)不(bu)(bu)考(kao)(kao)慮煙氣(qi)中的粉塵;(5)不(bu)(bu)考(kao)(kao)慮反應器(qi)內的化學反應。

根據(ju)反應器(qi)內煙氣流(liu)動時湍流(liu)的狀態，計算采(cai)(cai)用(yong)(yong)標準(zhun)k-ε(Standardk-ε)雙方(fang)程為湍流(liu)模型(xing)。采(cai)(cai)用(yong)(yong)分離求解器(qi)計算控制方(fang)程，壓力-速度耦合(he)采(cai)(cai)用(yong)(yong)SIMPLE格式(shi)，壓力插值(zhi)采(cai)(cai)用(yong)(yong)標準(zhun)格式(shi)Standard，其余對流(liu)項插值(zhi)采(cai)(cai)用(yong)(yong)二階迎風格式(shi)Second Order Upwind。

為(wei)保(bao)證網格(ge)(ge)質量，對反(fan)應器(qi)進(jin)行分塊網格(ge)(ge)劃分，經過(guo)網格(ge)(ge)無關(guan)性(xing)計(ji)算，反(fan)應器(qi)網格(ge)(ge)總數約為(wei)150萬。采(cai)用速度(du)入口，進(jin)口速度(du)為(wei)10m/s，溫(wen)度(du)為(wei)473K;采(cai)用壓力(li)出(chu)口，壓力(li)默(mo)認(ren)為(wei)初始值(zhi)(大氣壓)，溫(wen)度(du)為(wei)463K。

3.2模擬結果與分析

SCR脫硝(xiao)方法對(dui)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)性能要求以及反(fan)應器內流場的(de)均布(bu)性要求很高，在選取(qu)適宜燒結(jie)煙氣脫硝(xiao)的(de)低溫催(cui)化(hua)劑(ji)后，系統(tong)脫硝(xiao)效率及氨(an)逃逸率基本取(qu)決于(yu)反(fan)應器內流場的(de)均布(bu)性。

 該(gai)模擬主要觀察反應器(qi)入口、煙道頂部(bu)彎(wan)折角、反應器(qi)本(ben)體前部(bu)及催化(hua)劑首層前部(bu)的(de)流場分布(bu)，比(bi)較不同(tong)方案對其的(de)影響，優化(hua)內(nei)構件布(bu)置。

3.2.1導流(liu)板(ban)對反應器入口流(liu)場分(fen)布的影響(彎頭1)

圖(tu)4所示為反應器(qi)入口的速(su)度云圖(tu)。

圖4 反應器入口速度云圖

煙(yan)氣(qi)從(cong)水平煙(yan)道經過彎(wan)頭1進入(ru)豎直(zhi)煙(yan)道與氨混合，此處易(yi)產生速度(du)梯度(du)，從(cong)而形成回流(liu)，紊亂的(de)氣(qi)流(liu)會(hui)對煙(yan)氣(qi)與氨的(de)混合產生影響。

從圖(tu)中看(kan)出，未加導(dao)流(liu)(liu)板(ban)(空塔)時(shi)，靠近左(zuo)側(ce)氣流(liu)(liu)速(su)度(du)較大，從煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)左(zuo)側(ce)至右側(ce)速(su)度(du)梯度(du)較明顯，煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)空間沒有(you)得(de)到充分(fen)(fen)利(li)用，且進入(ru)豎直(zhi)煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)后氣流(liu)(liu)較紊(wen)亂，流(liu)(liu)場分(fen)(fen)布(bu)不均(jun)勻(yun);加入(ru)弧形(xing)導(dao)流(liu)(liu)板(ban)(方(fang)案1)后，煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)左(zuo)側(ce)仍存在高(gao)速(su)區，但速(su)度(du)梯度(du)減(jian)小(xiao)，氣流(liu)(liu)進入(ru)豎直(zhi)煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)后流(liu)(liu)場分(fen)(fen)布(bu)得(de)到改善;在弧形(xing)導(dao)流(liu)(liu)板(ban)的基(ji)礎上加入(ru)直(zhi)板(ban)(方(fang)案2)后，煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)左(zuo)側(ce)的高(gao)速(su)區消失，煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)左(zuo)側(ce)至右側(ce)速(su)度(du)梯度(du)進一步減(jian)小(xiao)，煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)空間得(de)到充分(fen)(fen)利(li)用，豎直(zhi)煙(yan)(yan)(yan)道(dao)(dao)流(liu)(liu)場分(fen)(fen)布(bu)均(jun)勻(yun)。

3.2.2導流板對煙道頂部(bu)彎(wan)折角流場分(fen)布的影響(彎(wan)頭2)

圖(tu)5所(suo)示為煙道頂部彎折(zhe)角(jiao)速度(du)云圖(tu)。

圖5煙道頂部(bu)彎折角速度云圖

煙(yan)(yan)氣(qi)與氨混合(he)后(hou)從豎(shu)直煙(yan)(yan)道經(jing)過彎頭(tou)2進入水平煙(yan)(yan)道，此處也易(yi)形成回流(liu)現象，且氨的加入會(hui)使得氣(qi)流(liu)均勻性變差。

可(ke)以(yi)看出(chu)，3種方案(an)的計算結果與(yu)反應(ying)器(qi)入口(kou)流場(chang)分布(bu)相似，空(kong)塔時煙(yan)道(dao)(dao)右側(ce)存在高速(su)(su)區，左(zuo)側(ce)為低(di)速(su)(su)區，煙(yan)道(dao)(dao)空(kong)間較浪費;加入弧形導流板(ban)后(hou)，流場(chang)分布(bu)得到改善(shan);加入直板(ban)后(hou)，流場(chang)分布(bu)進一步(bu)改善(shan)，高速(su)(su)區及低(di)速(su)(su)區消失，煙(yan)道(dao)(dao)空(kong)間充分利用，進入水平煙(yan)道(dao)(dao)后(hou)，氣流不再紊亂。

3.2.3導流板對反應(ying)器本體(ti)前部流場分布的影響(彎頭3)

圖6所示(shi)為氣流進入(ru)反應器本體前的速度(du)云圖。

圖6 反應器本體(ti)前部(bu)速度(du)云圖

煙氣經過彎頭3將(jiang)進(jin)入反應(ying)(ying)器本體，隨后進(jin)入催(cui)化(hua)劑層進(jin)行反應(ying)(ying)。

相比于空塔，導流(liu)板的(de)設置(zhi)對流(liu)場(chang)(chang)起到(dao)了分流(liu)的(de)作用。前(qian)者氣(qi)流(liu)較紊亂，從上部(bu)(bu)至下部(bu)(bu)速度(du)(du)梯度(du)(du)明顯;后者流(liu)場(chang)(chang)均勻(yun)性得到(dao)改善(shan)，速度(du)(du)梯度(du)(du)較小。

但導流(liu)(liu)板前后的(de)(de)流(liu)(liu)場仍存在回(hui)流(liu)(liu)，相比(bi)于反應器入口及煙道(dao)頂部彎折(zhe)角處(chu)，此(ci)處(chu)導流(liu)(liu)板的(de)(de)設置對流(liu)(liu)場均勻性的(de)(de)改(gai)善作用比(bi)較微弱。

3.2.4導流板及整流器(qi)對反應器(qi)本體及出口流場分布的影響(首層催(cui)化劑前(qian)部)

煙(yan)(yan)氣從狹窄的煙(yan)(yan)道進(jin)入反應器本(ben)體，氣流不(bu)均(jun)勻性會(hui)加劇，在本(ben)體內形成嚴(yan)重的回流，對反應效率(lv)影響很(hen)大，且(qie)易造(zao)成催化劑利用(yong)不(bu)充分、堵塞等情況。

圖7所示為反應器整體的速度云圖。

圖7 反(fan)應(ying)器本體(ti)速度云圖

從(cong)圖中可以看出，空塔時氣(qi)流(liu)(liu)(liu)進(jin)(jin)入(ru)反應器本(ben)(ben)體右側(ce)(ce)速(su)度明顯高(gao)于左側(ce)(ce)及中部，氣(qi)流(liu)(liu)(liu)從(cong)煙(yan)道(dao)進(jin)(jin)入(ru)本(ben)(ben)體時直接(jie)流(liu)(liu)(liu)向(xiang)右側(ce)(ce)，造成嚴(yan)重(zhong)的回流(liu)(liu)(liu)現象;氣(qi)流(liu)(liu)(liu)進(jin)(jin)入(ru)出口(kou)后(hou)，因煙(yan)道(dao)轉彎，在其右側(ce)(ce)形(xing)成高(gao)速(su)區，速(su)度梯度較大，反應器本(ben)(ben)體及出口(kou)煙(yan)道(dao)空間都沒有得到充分的利用。

加入導(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)(方案1、2)后，反應器本(ben)體流(liu)(liu)場分(fen)布均勻(yun)性(xing)并未得到改善，仍存在(zai)嚴重的回流(liu)(liu)現象;出口(kou)煙道氣(qi)流(liu)(liu)受到導(dao)(dao)流(liu)(liu)板(ban)的作用(yong)，高速(su)區減(jian)弱，流(liu)(liu)場分(fen)布較均勻(yun)。

在設(she)置導(dao)流(liu)(liu)板的基礎上，在反(fan)應(ying)器本體首層催化劑前部設(she)置整流(liu)(liu)器(方(fang)案(an)3)。可以(yi)看(kan)出(chu)，氣流(liu)(liu)經過整流(liu)(liu)器后，速度梯(ti)度明顯減小，流(liu)(liu)場分(fen)布均勻性得到較大改善，回流(liu)(liu)現象幾乎不存(cun)在，反(fan)應(ying)器本體空間(jian)得到充分(fen)利(li)用;氣流(liu)(liu)進入出(chu)口煙道，高(gao)速區(qu)也(ye)進一(yi)步減弱，氣流(liu)(liu)分(fen)布更均勻。

圖(tu)8所示為(wei)首層催化(hua)劑前(qian)部(bu)速(su)度云圖(tu)。

 

圖8 首層催化劑前部(bu)速(su)度云圖

可以看出，未設(she)置整流器的(de)結構(gou)右側(ce)(ce)速(su)度明顯大于左側(ce)(ce)，導(dao)流板(ban)的(de)加入并未改善(shan)流場分布的(de)均勻(yun)性，而整流器的(de)存(cun)在使得氣流能夠均勻(yun)地進入首層催化(hua)劑，從而使反應順(shun)利進行。

4脫硝反(fan)應(ying)器溫度分布

在燃煤(mei)煙氣脫硝系統中，釩鎢鈦(tai)系催化劑的活性(xing)溫度窗口為320～420℃，最(zui)佳反應(ying)溫度窗口主(zhu)要集(ji)中于340～380℃，SCR脫硝反應(ying)效率達到最(zui)高，約90%]。

相比于燃煤(mei)脫(tuo)硝，燒結煙氣溫度較低，約200℃。除了保證SCR反應器內流(liu)場分(fen)布(bu)均勻(yun)外(wai)，溫度場的均勻(yun)分(fen)布(bu)對脫(tuo)硝效率的提高(gao)及系(xi)統的穩定運行也是關鍵所在。

圖(tu)9所示(shi)為反應器(方案3)中心(xin)截面(mian)及首(shou)層催化劑前部的溫度場(chang)分(fen)布云(yun)圖(tu)。

 

圖9反應器溫度場分布(bu)云圖

可以看出(chu)，氣(qi)(qi)流溫(wen)度(du)在(zai)煙道內幾乎(hu)沒有變(bian)化(hua)，隨后進入反應器本體至(zhi)出(chu)口(kou)，靠(kao)近左邊壁處雖然存在(zai)小(xiao)部(bu)分(fen)氣(qi)(qi)流溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)明顯，但整體分(fen)布(bu)較均勻，對(dui)脫硝反應有積(ji)極作用。

5結論

燒結煙氣溫度較低，脫硝條件(jian)苛刻，除(chu)了保證低溫催化劑的(de)(de)性能外(wai)，SCR反(fan)應器內(nei)的(de)(de)流(liu)場分布對脫硝效率(lv)也有較大影響。該模擬(ni)對比了空塔及設置不同內(nei)構(gou)件(jian)時反(fan)應器內(nei)速度分布情況，得出以下結論。

(1)SCR反應(ying)器未(wei)設置內構件(jian)時，流場分布紊亂(luan)，可以推(tui)測(ce)，空塔時脫硝效率(lv)不(bu)(bu)高，且催(cui)化(hua)劑利用不(bu)(bu)充(chong)分、易堵塞。

(2)在反應器內(nei)設置導(dao)流板，對彎頭處(chu)的煙氣(qi)起到了較好(hao)的分流作用，煙道空間得(de)到充分利用。

(3)首層催化劑前部設(she)置整流(liu)器，對(dui)反應(ying)器本體內流(liu)場(chang)分布(bu)均勻(yun)(yun)性(xing)改善作用(yong)明顯，溫度場(chang)分布(bu)也較(jiao)均勻(yun)(yun)，有(you)利于脫硝效率的(de)提高及(ji)催化劑的(de)有(you)效利用(yong)。