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选择性催化还原法(SCR)反应器主体形式及内部结构的设计与优化

杨一鸣  
【摘要】:选择性催化还原法(SCR)是目前世界各国应用最多、成熟且高效的一种烟气脱硝技术,具有氮氧化物脱除效率高,脱除效率可达90%以上,氮氧化物出口浓度可降低至50mg/Nm~3以下;二次污染小,SCR的基本原理是利用还原剂将NO_x还原为无毒无害的N_2和H_2O,整个工艺产生的二次污染物质很少;应用广泛,SCR烟气脱硝技术已在发达国家得到较多应用等优点。但是由于系统复杂,其脱除效率受包括流场分布、氨气浓度分布、反应温度、反应时间以及催化剂性能等诸多因素影响等。在经过大量的文案研究和现场调研工作后发现,反应器的主体形式和内部结构对SCR系统综合性能具有较大影响,反应器的设计和优化是决定SCR工程项目成败的重要因素。计算流体力学(CFD)流场模拟或物理模型测试研究是反应器的设计和优化的重要手段,藉此可获得满足工程指标要求的反应器形式和内部结构。国内对于SCR脱硝工艺的研究主要集中在脱硝系统的局部优化,主要包括烟道与拐角,喷氨格栅及氨混合器,导流板和整流格栅等局部优化研究,而缺少对于反应器主体形式的研究。且大多数研究都是针对电力行业SCR脱硝工程。我国电力行业脱硝改造已基本完成,现阶段我国NOx治理面临的最大挑战是以工业锅炉行业为代表的其他行业的中小型SCR脱硝工程。这些脱硝工程特点是体量小,数量多,对SCR脱硝系统的设计和优化工作提出了巨大的挑战。我国SCR反应器设计和优化工作缺乏系统的、全面的指导和参考。本文将SCR反应器系统的分为传统SCR反应器,渐扩入口段的SCR反应器和低尘SCR反应器,并开展相关研究工作。本文围绕着SCR反应器的主体形式和内部关键设备结构,利用先进的CFD软件STAR-CCM+,并结合物理模型测试开展深入的研究工作。广泛研究了各种SCR反应器的流场分布、氨气浓度分布、温度分布、最大烟气入射角度和系统压降。研究内容涵盖了适用于各种不同情景的SCR反应器的设计及优化,主要包括:(1)一种高效SCR反应器的设计和优化研究。此类反应器具有普适性,可适用于绝大多数含尘或低尘场合。通过两种不同的优化思路,对传统反应器进行优化和重新设计,结果表明2#反应器和3#反应器综合性能都要远远优于传统反应器,流场优化过程快捷而高效,避免了繁重的导流板设置和调试工作。此外,2#和3#反应器在最大烟气入射角和温度分布上也都具有一定优势。氨气浓度分布与反应器主体形式没有明显关系,本次研究表明,该项指标取决于喷氨格栅的形式,对于氨气浓度分布的研究表明:(1)AIG的形式是决定氨气浓度分布的决定因素,与反应器主体形式没有明显关系;(2)混氨器的设置不是必须的,优化的AIG形式可以直接实现氨气浓度分布指标要求。(3)与设置混氨器的情景相比,可以减少100帕以上的系统压降,可大大节约运行成本,具有重大的工程价值。但是2#和3#反应器一定程度上增加了系统压降,优化方案1和优化方案2的研究结果表明,两者分别增加了50Pa以内的系统压降,这在工程上是完全可以接受的。喷氨对最大温度偏差影响较小,各case的最大温度偏差均小于1°,远低于该指标限值要求。(2)一种渐扩入口段的高效SCR反应器的设计和优化研究。此类反应器是一种较为特殊的反应器,流场分布差且难以优化。本文设计了并优化了渐扩入口段的SCR反应器,独特的反应器结构以及入口段独特(八字形)的导流板组合可满足流场分布指标要求。喷氨格栅的形式对于氨气浓度分布影响较大,适当的喷嘴设置是浓度分布的关键因素。此外,喷氨格栅上游的流场对于氨气浓度分布也具有较大影响,AIG上游需要相对均匀的流场。喷氨对最大温度偏差影响较小,各case的最大温度偏差均小于1°,远低于该指标限值要求。(3)一种低尘SCR反应器的设计和优化研究。低尘SCR反应器也是适用范围较广的一种SCR反应器,适用于低尘(≤50mg/Nm~3)的场合。设计了并优化了低尘SCR反应器。通过在入口段增设一定开孔率的多孔板组合即可满足流场分布指标要求。需要设置2块多孔板才能满足流场分布指标限值要求。需设置不同的开孔率组合以确定速度CV值。多孔板1的最佳开孔率为53%~51%,多孔板2的最佳开孔率为49%。开孔率的各种组合相应的浓度CV值都小于3%,因此均能满足SCR工艺催化剂上游浓度场分布指标限值(5%)要求,且各组合相应的浓度CV值差异较小,因此无需进一步优化。开孔率的各种组合相应的最大温度偏差较小,都在0.3℃以内,远远低于SCR工艺最大温度偏差限值所要求的10℃。开孔率的越低,系统压降逐渐越大,最小压降为841.6Pa,最大压降为894.6Pa。结合流场CV值可以看出,既能满足流场分布指标要求,同时也能实现最小压降的方案为多孔板1开孔率58%,多孔板2开孔率53%。上述三种反应器可基本涵盖SCR反应器的各种类型,适用于各种情景下的SCR反应器设计和优化工作,且这三种反应器均成功应用于实际SCR脱硝工程。最后本文还对一种特殊结构的SCR反应器的开展了优化研究,格栅进气的形式进一步拓宽了SCR反应器的设计思路。


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