水泥窑尾烟气SCR脱硝系统流场优化探讨.docx

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1、水泥窑尾烟气SCR脱硝系统流场优化探讨摘要：水泥窑尾烟气选择性催化还原(SeIeCtiVeCataMiCRedUetiOn,SCR)脱硝系统的流场均布问题是脱硝效率、氨逃逸控制及催化剂堵塞和磨损的关键影响因素。采用Cfdfluent数值模拟方法，对SCR脱硝系统的速度场、压力场及尘粒浓度场进行模拟分析，优选出“导流格栅层+均流层”的最佳导流结构，并更改优化了系统出口烟道结构。得出最优的模拟结果为：入射进第一层催化剂床层的烟气流线与床层截面垂直方向的最大偏角小于10；第一层催化剂床层前的烟气流场速度均匀度相对标准偏差(CoeffiCientofVariatiOn,CV)值为7.7%,较未优化的工

2、况速度均匀度CV值提升了25.8%；第一层催化剂床层前入口区域尘粒浓度值均处于0.050.06kgm3,以上优化结果使入射进催化剂床层的烟气流线顺畅，均匀分布系统速度流场，实现氨气和烟气的充分混合，进而降低氨逃逸率，同时可有效避免催化剂床层的堵塞和磨损，最终实现脱硝效率的提升。关键词：SCR；模拟分析；导流优化；均匀度相对标准偏差值引言随着我国环境治理要求的日益严格，氮氧化物(NOX)的允许减排标准也逐年提升。近年来，选择性催化还原(SCR)技术因其具备脱硝效率高的特点，在热力发电、钢铁等行业对NOx的处理方面得到了广泛应用同时在NOx排放主要源头之一的水泥行业,SCR技术的应用也越来越受重视

3、。脱硝系统的流场均布情况是脱硝效率的关键影响因素。若烟气流场分布不均匀，流场将出现局部高低速区，氨气和烟气混合不充分，造成催化剂磨损和堵塞，氨逃逸严重，脱硝效率降低，最终导致催化剂性能下降。针对流场分布不均对脱硝系统造成的不利影响以及如何提高脱硝系统流场均匀性的问题，美国B&W公司详细地研究了速度、温度差和反应物浓度的分布偏差对脱硝效率的影响，并且在实际工程中进行了验证，提出了合适的速度、温度差和反应物浓度分布偏差值，对实际工程具有积极的指导意义；瑞士Flowtech公司指出了美国HomerCity电厂SCR装置的性能问题主要原因是烟气和氨的混合不均匀和局部烟气流速过低,经过流场模拟和物理模型

4、验证方案的改造，在完成后达到了目标的脱硝效果；陈冬林等5司的研究说明在锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况下风烟道的结构及其导流板的布置对脱硝反应器的脱硝效率以及氨逃逸率具有影响，合理的管道和导流板布置，有利于提高脱硝反应器的脱硝率和降低氨逃逸率；沈凡等对反应器内直板、弧度板、弧度直板3种形态导流板进行模拟比较，得出在直角弯道处添加直弧形状的导流板整流效果最理想，与现在主流的导流板设计思路相符；毛剑宏等8-9模拟研究了SCR反应器变截面烟道处导流板的布置，分析了导流板布置角度对流场分布的影响；XUYY等10采用现场试验的方法，对首层催化剂入口进行测试，分析造成磨损的原因，结果显示SCR烟气入口流

5、场不均匀的分布是造成磨损的主要原因，之后他们在烟气入口处设置了一系列导流板，改善了流场分布，有效防止了催化剂磨损。以上国内外学者根据在实际工程应用中遇到的相应工程问题,对脱硝系统的相关结构位置点进行了针对性的研究，但并未从脱硝系统的整体方面进行优化分析。本文基于上述研究分析，利用计算流体力学软件CFDF1.UENT,从整体上对SCR脱硝系统进行更为具体详细的流场模拟分析。结合脱硝系统的实际情况，通过分析反应器系统内部的速度场、压力场和尘粒浓度场，有针对性地进行导流均流方案设计。本次模拟分析的优化导流方案，能够提高流场均匀度，促进脱硝反应器内氨气和烟气的充分混合，进而降低氨逃逸率，同时避免催化剂

6、堵塞和磨损，提升脱硝效率。1研究方案1.1 研究目标SCR脱硝反应系统的行业技术标准，通常是用相对标准偏差(CV)值来表示SCR脱硝反应器系统内的流场均匀度。其中CV值指的是一种量度数据分散程度的标准，用以衡量数据值偏离算术平均值的程度。CV值越小，数据值偏离平均值的程度越小，偏离的数据点数就越少，流场均匀度就越高。对于SCR系统流场的模拟，一般要求为：（1）系统反应器最上层催化剂床层入口截面的速度场CV值低于15%；（2）系统反应器最上层催化剂床层入口截面的氨气浓度场CV值低于5%（本次模拟分析由于氨气在进SCR系统装置之前，经过了旋风筒旋流混合,氨气浓度场分布较为均匀,故氨气浓度场CV值不

7、在本次模拟分析目标范围内）;（3）速度流线与催化剂表面垂直方向线最大偏角小于10。CV值的计算方法见式（I）：GWH（七式中,以为相对标准偏差；Cy为标准偏位；V为极而数据平均值；上为各取样点数据值;为取样点数。1.2 几何模型确定以某水泥厂脱硝改造项目的SCR脱硝反应器系统为原型，按照与实际结构比例为1：1的尺寸建立三维几何模型。原始方案和优化方案这2种工况下的脱硝系统模型如图1所示；原始方案和优化方案这2种工况下的SCR反应器出口结构模型如图2所示。图ISCR脱硝系统三维模型（左：原始方案；右：优化方案）图2SCR反应器出口烟道结构形式（左：原始方案；右：优化方案）1.3 计算模型选定CF

8、D为计算流体动力学的英文简称，是利用专门的计算机软件对固体边界两侧流体通过数值模拟分析，得出传热及流动性能优劣的一个学科，F1.UENT作为CFD中的一种通用软件,被普遍应用于与流动换热相关的模拟和分析中。根据研究对象的特点与研究目的，从软件中选择适宜的计算模型进行分析计算。本次模拟分析所采用的计算模型如下：1）气流在SCR反应器内湍流流动的计算，采用标准k湍流模型，该模型具有良好的稳定性、经济性及较高的计算精度。在直角坐标系下，基本控制微分方程见式（2）式（4）。连续性方程：四+眄=O（2）tx,动Ii方程：竽瓯）喂（喈一曲卜新网（3）标准A-微分模型：（p）+div（p）=div（gra）

9、+S.在式（2）式（4）中，为动力粘度系数；S.为广义源项；。为通变量；。为混合气体需度。和美控制微分方程所对应的我厂S.表达式具体形式见表1。表1相关控制微分方程表达式l*卜3*?卜、4M.4.2）催化剂床层的计算采用多孔介质模型，依据实际催化剂特性计算模型阻力系数及通孔率，进而模拟分析催化剂床层对烟气流体的阻滞作用。3）烟气中尘粒流的模拟采用DPM离散相模型进行计算，根据实际参数设置相应边界条件，进而分析离散相尘粒与连续相烟气流之间的相互作用。3.4 网格划分网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量的好坏对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。本次模拟网格划分过程分三

10、步，一是建立几何模型：在此过程中，根据计算需要对几何模型进行适当简化。二是划分网格：几何模型采取特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分。对于实际SCR脱硝系统的不同内部结构，采取不同形式的网格，如圆变方或异形体等不规则结构，采取四面体非结构化网格进行划分；六面体或者圆柱体等规则结构，采取六面体或者棱柱形结构化网格进行划分。三是指定边界区域：指定模型每个区域的名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。模型网格划分如图3所示。图3SCR脱硝系统模型网格划分（左：原始方案；右：优化方案）3.5 边界条件本次模拟分析的模型有烟气入口、烟气出口以及壁面3种边界，其中烟

11、气入口选用速度入口边界形式；烟气出口选用压力出口边界形式；壁面选用无滑移、无热传导的WA1.1.类型。入口边界条件的具体内容见表2。表2入口边界条件烟气(mh)入口效面速度/（ms）濯度/tC9500001Z773302结果与分析本文对未安装任何导流装置的原始方案与安装导流装置后的优化方案进行对比模拟分析，研究了系统的速度场、压力场和粉尘浓度场的分布情况，最终得出：通过增设适宜的导流均流装置，提升了整个SCR脱硝系统流场均匀性，保证了脱硝效果满足设计应用要求。3.6 速度场分布通过对原始方案和优化方案的速度场进行模拟分析，得出相应的速度分布云图和流线图，综合研究这2种方案下的云图和流线图，对比

12、展示导流优化效果。具体的SCR反应器系统速度场分布云图如图4所示；SCR反应器系统速度场分布流线图如图5所示；SCR系统第一层催化剂床层入口位置目标截面速度分布云图如图6所示。图4SCR反应器系统速度场分布云图（左：原始方案；右：优化方案）图5SCR反应器系统速度场分布流线图（左：原始方案；右：优化方案）图6SCR系统第一层催化剂床层入口位置目标截面速度分布云图（左：原始方案；右：优化方案）由图4图6的原始方案可知，在未安装导流装置时，第一层催化剂床层入口段空间，速度流线疏密不均、偏斜严重、四周区域存在严重漩涡，导致靠近催化剂床层的入口截面速度场出现局部高低速现象，流场分布十分不均。经过数据统

13、计得出，速度流线与第一层催化剂床层表面垂直方向线最大偏角均大于10;第一层催化剂床层入口截面速度最大值为9.44ms,最小值为1.52ms,速度场均匀度CV值为33.5%,.因此，原始设计方案下的流场不能满足设计应用要求。经过增设最佳的导流均流装置一一“导流格栅层+均流层”，整个系统速度场模拟结果较原始方案发生较大变化。由图4图6的优化方案可知，在入口细长圆形烟道段的各个弯头处以及反应器入口圆变方烟道处分别设置不同形式的导流板、导流格栅及均布板，再经过整流格栅均流之后，烟气以更均匀的流线进入第一层催化剂床层内。经过数据统计得出，烟气流线与第一层催化剂床层表面垂直方向线最大偏角小于10;第一层催

14、化剂床层入口位置目标截面速度场均匀度CV值为7.7%,较原始方案提高了25.8%。此优化结果可大幅度提升流场均匀度，保证烟气流线能够顺畅垂直地入射进入第一层催化剂床层中，实现烟气中的氮氧化物与NH3充分混合，进而有效发生化学反应，完成高效率脱硝过程，满足设计应用指标要求。3.7 压力场分布通过对原始方案和优化方案的压力场进行模拟分析，得出相应的压力分布云图，综合研究这2种方案的云图，对比展示导流优化效果。具体的SCR反应器系统压力场分布云图如图7所示。图7SCR反应器系统压力场分布云图（左：原始方案；右：优化方案）由图7可知，2种方案的压力损失均主要发生在催化剂床层位置以及系统出口烟道段。经过

15、数据统计得出，原始方案下，从SCR系统模型入口（Cl预热器出口）到模型出口（余热锅炉入口）间的总压降为710Pa,其中圆变方过渡段压降为25Pa,三层催化剂床层压降为435Pa,从催化剂床层出口到系统出口烟道段压降为245Pa,系统压损不能满足设计要求；导流优化方案下，从模型入口（Cl预热器出口）到模型出口（余热锅炉入口）间的总压降为600Pa,其中圆变方过渡段压降为28Pa,三层催化剂床层压降为452Pa,从催化剂床层出到系统出口烟道段压降为115Pa,系统压损可以满足设计应用要求。3.8 尘粒浓度场分布通过对原始方案和优化方案的粉尘浓度场进行模拟分析，得出相应的粉尘浓度分布云图，综合分析这

16、2种方案的云图，对比展示导流优化效果。具体的SCR反应器系统粉尘浓度场分布云图如图8所示。图8SCR反应器系统粉尘浓度场分布云图（左：原始方案；右：优化方案）由图8可知，原始方案下，SCR反应器第一层催化剂床层上部空间，粉尘颗粒受不均匀气流影响，大部分聚集在中心区域，局部最高浓度值达到0.15kgm3,导致大量粉尘颗粒被中心区域的高速烟气流携带前进，高速通过反应器床层，最终颗粒对中间部位的催化剂床层造成严重磨损；在周围低速区，气流出现涡旋，部分粉尘颗粒也随烟气流回旋，最终积聚在第一层催化剂床层表面，堵塞催化剂孔道，降低催化剂性能口1卜优化方案下，烟气流在导流均流装置作用下，均匀流畅地进入催化剂

17、床层，粉尘颗粒随着烟气流均匀地分散开。数据统计得出，粉尘浓度值均处于0.050.06kgm3,床层表面未出现高速和高浓度尘粒流及涡旋区，有效避免了床层磨损和堵塞，提升了催化剂性能。3实际工程项目应用本次模拟分析的优化导流均流装置应用在河北某水泥生产线上,当工艺运行稳定后,SCR脱硝系统出口NOx浓度最大值为26mgNm3；SCR脱硝系统脱硝效率最大值为90%；SCR脱硝系统出口氨逃逸最大值为4.0mgNm3。由此可得，优化后的SCR系统性能可以满足超低排放指标要求。结论本文利用Cfdfluent数值模拟软件，基于SCR脱硝系统原始设计方案的模拟分析，增设多种不同形式的导流均流装置，得到最佳的优

18、化设计方案，并应用于实际工程项目。具体结果总结如下：（1）针对未设导流装置的原始方案，经过数据统计得出，速度流线与第一层催化剂床层表面垂直方向线最大偏角大于o；第一层催化剂床层入口位置目标截面均匀度CV值为33.5%；床层入口空间粉尘颗粒浓度值处于0020.15kgm3.可见，系统流场分布不均，氨气和烟气不能充分混合，氨逃逸问题严重，粉尘颗粒浓度分布不均，造成催化剂磨损和堵塞，降低催化剂性能。（2）针对安装导流均流装置后的优化方案，经过数据统计得出，速度流线与第一层催化剂床层表面垂直方向线最大偏角小于IO0；第一层催化剂床层入口位置目标截面均匀度CV值达到7.7%,较原始方案提升了25.8%；

19、床层入口空间粉尘颗粒浓度值处于0.05-0.06kgm3可见，此优化设计方案可均匀系统速度场，实现氨气和烟气充分混合，有效避免催化剂床层堵塞和磨损，提高脱硝效率。（3）在原始设计方案系统上安装导流均流装置，同时更改优化了反应器出口烟道结构,最终整个脱硝系统压力损失较原始方案降低了IlOPa,能够满足设计应用指标要求。（4）将优化方案应用到实际工程项目，运行稳定期间，SCR脱硝系统出口NOx浓度最大值为26mgNm3;SCR脱硝效率最大值为90%；SCR脱硝系统出口氨逃逸最大值为4.0mgNm3o可.见，此优化设计方案能够保证SCR脱硝系统性能指标满足超低排放要求。附参考资料：脱硝烟气流场优化及

20、应用根据电厂SCR脱硝系统投运以来实际运行情况，分析影响脱硝烟气流场均匀性的原因，从脱硝系统运行、维护、设计等方面进行针对性分析，提出切实可行的提高脱硝烟气流场均匀性的方法，为提高脱硝系统效率，降低脱硝运行、维护成本，减少氨逃逸具有重要意义，保证脱硝系统经济、安全运行。11引言迄今为止，世界各国己研发出多种治理烟气中氮氧化物的方法，其中以选择性催化还原法（SCR）脱硝技术最为成熟,脱硝效率最高，并已在大型燃煤电厂获得广泛应用。衡量SCR系统性能有两个重要指标，即脱硝效率和氨逃逸率。影响这两个指标的诸多因素中,烟气与氨的混合程度以及流场均匀度最为重要。脱硝烟气流场不均时，部分氨气未能与烟气反应而

21、直接从反应器逃逸出来，同时部分烟气不能去除氮氧化物,因而使脱硝效率下降和氨逃逸升高,并相应导致硫酸氢氨生成量增加，硫酸氢氨进入下游设备空预器后与蓄热元件的灰尘结合后造成空预器堵塞和腐蚀，空预器差压、引风机电耗升高；另外，脱硝效率下降直接导致喷氨量增加，严重影响机组安全、经济、环保运行。本文分析影响脱硝烟气流场不均的原因，并提出相应的整改措施，为提高同类型机组脱硝流场均匀性提供参考经验。22降低脱硝烟气流场均匀性的因素（1）喷氨装置吹损直接导致脱硝烟气流场不均，电厂脱硝系统喷氨装置共有三种类型：喷嘴式、圆盘式、花瓣式，当喷氨管道、喷氨盘吹损出现孔洞时，直接导致氨气与烟气不能充分、有效混合，造成N

22、BN0x摩尔比分布不均匀，计算出理论所需的喷氨量也不稳定，最终导致锅炉出口氮氧化物浓度不易控制，氨逃逸率增大，实际用氨量增高。吹损的喷氨管道吹损的喷疑网盘（2）脱硝系统导流板安装角度不合适或吹损，导流板吹损后形成“烟气走廊”直接影响烟气流速的均匀性；导流板安装角度不正确，导流板无法按设计改变烟气的流向，直接导致烟气流场不均。吹损的顶部穹头区域导流板吹损的人口烟道导流板（3）催化剂吹损后大面积脱落或积灰导致烟气流场不均，催化剂大面积脱落或大量积灰时，宜接影响烟气在催化剂层面的流速，催化剂层面上烟气流速不均时，导致烟气与氨气不能均匀混合，直接影响烟气流场的均匀性。催化剂大面枳脱落催化剂钠丝冏枳灰（

23、4）脱硝出、入口烟道内部积灰及烟道壁板吹损导致流场不均，脱硝系统运行中是在引风机的作用下，会使烟道形成负压，当在烟道烟气的任何流通路径壁板上出现被烟气冲刷的孔洞时，外部空气会直接被吸进脱硝系统内部，一方面会使烟道内部的NoX的含量增加,另一方面冷空气被吸进烟道会快速扰乱烟气流场，出现局部流速过高的现象，直接影响到烟气流动并打破原流场的均匀性。另外，当脱硝烟道内部大量积灰时，迫使烟气改变流向并影响流速，直接降低烟气流场的均匀性。脱硝烟道壁板孔洞脱硝入1.l烟道内部枳灰33提高脱硝烟气流场均匀性的措施(1)结合机组检修对喷氨装置进行修补，更换或补焊吹损的喷氨管道、喷氨圆盘，将喷氨管更换为不锈钢管道

24、，并在迎风面加装防磨角钢，采用新型防磨喷涂技术，提高喷氨装置的耐磨性，保证喷氨设施的完整性，从而提高脱硝烟气流场的均匀性。修补后的喷额格棚住喷初管迎风面加装防腑加例(2)机组停运期间对脱硝系统各组导流板进行全面检查，检查导流板角度有无偏差，导流板吹损有无减薄、孔洞，结合机组检修对导流板进行补焊，并对易磨损部位进行防磨喷涂处理，以提高导流板的耐磨性。(3)严格控制催化剂入厂质量，积极探索催化剂制造新技术，对催化剂的迎风端部采取耐磨措施，以提高催化剂的抗冲刷能力。机组停运一周以上时更换吹损、脱落的催化剂单体,保证催化剂模块完整性，从而保证脱硝烟气流场在催化剂截面上的均匀性。(4)及时补焊脱硝出、入

25、口烟道漏点，对烟道易磨损部位进行防磨喷涂；加强省煤器输灰，减少烟气飞灰含量，防止烟道内部积灰。(5)定期开展脱硝反应器冷、热态流场测量及调整。冷态下稀释风量置于机组额定负荷运行工况，喷氨支管手动门原位置。测量SCR喷氨格栅喷口的风速，评价其均匀性；对选定的支管在不同的手动门开度下测量喷口组的风速及支管动压,寻找满足喷口组合理最小风速的开度限制，建立流量与阀门开度的对应曲线，进行完毕以上工作后，调整各分支管阀门，使得各分支管的喷氨量基本均匀，为热态喷氨调整试验奠定冷态数据基础。热态SCR喷氨调整试验；据脱硝进、出口NOX、02浓度分布情况，分析各喷氨支管的氨氮比均匀性，通过烟气流速的加权对喷氨流

26、量进行均匀性计算，根据计算结果调整喷氨支管阀门开度；重复测量与调整，直至出口NoX浓度分布满足要求。通过调整脱硝系统各支管手动门开度来调节对应区域喷氨量，改变脱硝系统烟道内氨浓度分布，使脱硝系统氨氮比更加均匀，从而减少氨逃逸率，以获得最佳的NoX脱除效果0热态吟宜化IlIFiAXafVRI(1)在脱硝A、B侧出、入口烟道各均衡选取15处法兰测孔，按照网格法布点，每个测孔沿出、入口烟道深度等间距测量3次，以获取脱硝出、入口烟道各部位氮氧化物浓度、氧浓度真实分布情况，为调整相应喷氨蝶阀开度提供准确、合理依据，使用同样的方法反复进行调整，直至各喷氨支管的氨氮比均匀性符合要求。(2)按上述步骤进行重复

27、测量与调整，直至脱硝出口氮氧化物浓度分布满足要求，改善脱硝系统烟道内氨浓度分布，以获得最佳的氮氧化物脱除效果，提高脱硝效率，降低系统氨逃逸率。通过调整脱硝系统各支管手动门开度来调节对应区域喷氨量，改变脱硝系统烟道内氨浓度分布，使脱硝系统内部氨氮比趋于均匀，提高脱硝系统效率。注位Y0.-I5A.6角修例的内艇”.测试结果为：A侧出口NOx平均值为18.51mgNin3,B侧出口NOx平均50.87mgNm3osis在线值为:A侧出口NOx为47.65mgNm3,B侧出口NOx为39.54mg/Nm3,总排为32.06mgNm3o可以看出A侧NOx浓度普遍偏低，B侧普遍偏高，存在单侧调节过低现象，

28、即说明A侧喷氨量过高；也可看出A侧实测值与在线值相差较大。为了避免烟道截面NOx值偏差较大且存在局部氨逃逸过量问题，我们采取三个不同负荷段稳定工况下通过喷氨蝶阀的开度调整，而使烟道各测点最大、最小NOx差值不超出aOmg/PW,以达到烟道截面NOx相对平衡状态，从而保证了脱硝烟气流场的均匀性。反应器M)Je小值(三三,NOdft大值Zd)MX平均值Na标准偏差(aga,)M相对标准归差(*)AM,整IW5.8851.2518.5213.1971.248BW25.1075.3950.8810.6720.97AM整后27.4259.3845.588.7019.09BW27.0153.0939.H7

29、.3018.36通过对脱硝烟气流场冷、热态测量及调整，改变脱硝系统烟道内氨浓度分布，使脱硝系统氨氮比更加均匀，从而减少氨逃逸率，可获得最佳的NoX脱除效果。14结束语SCR脱硝技术做为很好控制氮氧化物而产生的新技术，因其技术比较成熟、脱硝效率较高，己在大型燃煤电厂获得广泛应用。脱硝烟气流场的均匀性直接影响着脱硝系统的效率和运行成本，脱硝超低排放改造后对氮氧化物排放要求更为严格，因此对脱硝系统设备、设施及流场的要求更高。脱硝系统中任何设施、设备的不完善都会影响系统流场的均匀性。在机组运行中掌握制约运行调整的各种因素,通过日常的检测、试验等手段摸清设备设施的底细,检修中要根据现场的实际情况不断的完善修复内部设施，并进行必要的流场优化工作，消除影响流场不均的各项不利因素，进行不断地探索，更好的保证机组投运时脱硝流场流速的均匀稳定。确保脱硝系统经济、安全运行。