基于SCR脱硝反应器内流场均匀性与优化思路论述--中国期刊网

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基于SCR脱硝反应器内流场均匀性与优化思路论述

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：陈芳

[导读] 【摘要】本文主要对SCR脱硝反应器相关内容进行分析，其中着重探究SCR脱硝反应器内流场均匀性以及优化思路。

        （南京金凌石化工程设计有限公司）
        【摘要】本文主要对SCR脱硝反应器相关内容进行分析，其中着重探究SCR脱硝反应器内流场均匀性以及优化思路。影响反应器流场的主要因素有烟道结构、整流装置如导流板与整流格栅、喷氨格栅等。对上述内容分析及优化，有利于提高反应器内流场速度的均匀性、烟气与氨的混合均匀度，促进脱硝效率的提升，为相关设计人员提供重要的参考依据。
        【关键词】SCR脱硝反应器；流场均匀性；氮氧化物排放
        前言
        随着社会的不断发展，人们的节能减排意识也日益增强。根据《锅炉大气污染物排放标准》GB13271-2014,锅炉需要控制大气污染物排放项目包括：颗粒物、二氧化硫、氮氧化物、汞及其化合物、烟气黑度。其中重点地区氮氧化物NOx的排放限值为：燃煤锅炉200 mg/Nm3；燃油锅炉200mg/Nm3；燃气锅炉150mg/Nm3。而根据国家发展改革委、国家能源局国家环境保护部《关于印发〈煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）〉的通知》（发改能源〔2014〕2093号）氮氧化物NOx排放指标进一步降低为“超洁净排放”不高于50 mg/Nm3；氮氧化物的排放问题越来越受到社会的重视。
        SCR即为选择性催化还原技术。相比于其他减少氮氧化物排放的方法，选择性催化还原（SCR）工艺技术成熟，反应温度低，脱硝效率大于90%，氨逃逸率小于3μm。因此应用范围广泛。
        1氮氧化物的分类与危害
        含氮氧化物是指由氮、氧两种元素组成的化合物。具体包括三氧化二氮、二氧化氮、一氧化氮以及一氧化二氮等，其中二氧化氮、一氧化氮主要分布在空气中，其是诱发大气污染的主要化合物。通常情况下，大气中氮氧化物主要包括自然和人为来源两个方面。其中自然来源主要来自土壤和海洋中有机物分解，属于自然界氮循环过程，源、汇基本为平衡状态。人为来源是燃烧化石材料燃烧获取动力或是能量，具体如锅炉排放、产品生产、废弃物处理等。在不同的来源之中，氮氧化物的主要来源之一，即是煤炭等化石燃料燃烧导致。其中火电厂锅炉氮氧化物排放量约占全国氮氧化物排放总量的一半。
        氮氧化物主要的危害包括对人体、植物以及大气环境的危害，如表1所示：
                                                                                  表1氮氧化物危害

        2.SCR系统布置方式以及典型工艺流程
        基于不同布置位置，SCR系统具体分为高含尘布置、低含尘布置以及尾部布置。高含尘布置是指催化反应器布置于锅炉省煤器和空预器之间，对应反应器内烟气温度约为300℃至400℃，能够为钒钛系催化剂提供合适的反应温度。该种布置方式在SCR反应器进入烟气前，不需要增设加热器加热烟气，因此有较低的运行成本以及投资费用。低含尘布置是指在电除尘器和湿法脱硫装置之后布置SCR系统反应器，在空气预热器前，前端会配有高温电除尘器，其不仅可以降低对烟尘催化剂所造成的冲刷腐蚀，而且还可以避免催化剂堵塞，进而使催化剂使用寿命得到延长。尾部布置泛指在烟气除尘及脱硫结束后，还需要按照要求将SCR反应器布置在低温烟气区，需要增加烟气再热系统，有效提高脱硫后烟气温度，以确保催化反应的顺利进行。综上所述，SCR系统中，高含尘布置性价比最高，且有较为成熟的技术，在火力发电厂改造中有着最为广泛的应用，并取得了很好的应用效果。
        通常情况下，典型高含尘SCR脱硝系统一般涵盖了脱硝系统和还原剂氨制备系统。脱硝系统具体包括SCR反应器、催化剂、喷氨混合系统、系统内部导流整流装置等，还原剂氨制备系统包括液氨储氨罐、氨缓冲罐、卸氨泵等。在实际运行过程中，液氨通过卸氨泵输送至液氨储罐内，利用储罐自身压力，将液氨输送至氨蒸发器，将液氨转换成氨气，再通过管线输送至炉区与稀释风机中的空气混合，借助喷氨格栅进入SCR脱硝系统反应器中，基于催化作用下，来实现与烟气中氮氧化物有效反应，形成水以及氮气。
        3SCR反应器内流场特性及优化
        在实际工程中影响SCR工艺的主要因素有：催化剂、反应温度、反应气与催化剂的接触时间、NH3与NOx摩尔比等。还有其他一些因素也会对脱硝效率造成影响，其涉及到的常见因素有SCR脱硝反应器内的烟气与氨的均匀混合程、烟气速度分布均匀性度等[1]。SCR反应器流场特性如下：
        1）在烟气与催化剂混合反应过程中，最好把气体流速控制在合理的范围内。过高的流速会导致催化剂出现充实或磨损现象，而且过低的速度也有可能诱发催化剂出现积灰、堵塞问题，进而降低催化剂的脱硝性能，缩短催化剂寿命。烟气速度的分布的均匀性还会影响氨与烟气之间的混合均匀程度。因此，在优化设计SCR反应器过程中，需要注意催化剂入口及喷氨格栅中的烟气速度分布的均匀程度。
        2）氨与烟气之间混合的均匀性至关重要。借助氨氮摩尔比表示氨与烟气的混合性能，在融合催化剂时，可能会由于烟气与还原剂氨混合不均匀，诱发部分区域的氨氮摩尔比升高，增加氨逃逸量，还会降低脱硝效率。氨会对大气环境造成二次污染。因此为了有效避免上述不利因素，需要保证氨与烟气之间混合良好，以确保催化剂入口处氮摩尔比能够循序渐进的提升，确保SCR系统的安全、高效运行。同时，为了使烟气与氨气之间能够均匀混合，可以将喷氨格栅加装在SCR装置设计之中，喷氨格栅安装在SCR反应器上游烟道，主要通过对喷射点烟气速度提升的方式，提高氨气与烟气的均匀混合程度[2]。
        3）SCR反应器内混合距离将会对烟气与氨气混合均匀度产生一定的影响，一般情况下较长的混合距离将会延长其停留时间，以达到理想的混合效果。但在实际SCR工程运行过程中，SCR装置会受到场地因素影响，在这种情况下，则需要借助整流装置。
        目前，通过CFD（Computational Fluid Dynamics）技术对SCR反应器内流场进行优化设计是一项节约成本且高效的关键技术。通过流场模拟，可以研究SCR反应器内的烟气流场分布，确定合理的内容布置方式，包括导流板的最优化布置方案、喷氨格栅及混合器的位置及喷氨量设计、整流格栅的设计等，从而保证SCR反应器内较好的烟气流场均匀性、氨与烟气的分布均匀性及较低的整体系统阻力。表2所列为重要的流场性能指标及相应的优化目标值。
                                                                                    表2SCR流场参数优化指标

        在初步确定SCR反应器内部结构方案之后，如果模拟计算结果满足不了上述要求，则需通过调整烟道的结构形状、优化导流板及整流格栅的布置方案、调整喷氨格栅位置等方式进行优化，从而保证最终的优化目标。
        4总结
        综上所述，为了保证SCR脱硝反应器高效运行，首先需要明确影响SCR脱硝反应器内流场均匀性的因素，如反应器烟道形状、整流装置如导流板及整流格栅的布置方案、喷氨格栅的布置等，并优化设计工作，确保重要的性能参数达到优化目标值，从而促进系统高效运行。
        【参考文献】
        [1]刘勇,曹京,孟强,任钢炼.SCR脱硝反应器内流场均匀性分析及优化设计[J].南通航运职业技术学院学报,2013,12(04):57-59.
        [2]周健,阎维平,石丽国,孔凡卓.SCR反应器入口段流场均匀性的数值模拟研究[J].热力发电,2009,38(04):22-25.