選擇性催化還原法(SCR)被認(rèn)為是最適宜用作脫除燒結(jié)煙氣氮氧化物的方法，而反應(yīng)器內(nèi)煙氣速度分布的均勻性是決定系統(tǒng)脫硝效率及氨逃逸率的重要因素。

為了研究導(dǎo)流板、整流器等內(nèi)構(gòu)件對(duì)反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的影響，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到并對(duì)比了空塔及設(shè)置不同內(nèi)構(gòu)件時(shí)反應(yīng)器內(nèi)速度云圖。

結(jié)果表明，在煙道彎頭加入導(dǎo)流弧形板與直板組合以及在反應(yīng)器本體加入整流器，可以有效改善流場(chǎng)均布性，對(duì)脫硝反應(yīng)產(chǎn)生積極影響。

隨著人們對(duì)環(huán)保要求的提高，燒結(jié)煙氣治理成為鋼鐵企業(yè)的重要問題，對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝治理是達(dá)到減排任務(wù)的關(guān)鍵途徑。

2012年，國家環(huán)境保護(hù)局頒布了《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了鋼鐵燒結(jié)及球團(tuán)生產(chǎn)企業(yè)大氣污染物排放限制，其中，對(duì)氮氧化物(NOx)的排放限值為300mg/m3。

燒結(jié)工藝的最終廢氣基本還處于無序排放狀態(tài)，僅僅通過減少燃料中的氮元素以及熱廢氣循環(huán)利用已經(jīng)無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)限制，對(duì)燒結(jié)煙氣進(jìn)行末端治理即脫硝處理是最有效的減排方法。

常用的脫硝方法有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、活性炭/焦吸附法和催化氧化法等。

國內(nèi)燒結(jié)煙氣脫硝設(shè)施鮮有工程經(jīng)驗(yàn)，借鑒電力行業(yè)鍋爐脫硝方法，選擇性催化還原(SCR)適宜用于鋼鐵企業(yè)燒結(jié)煙氣脫硝處理。

中國鋼鐵行業(yè)燒結(jié)煙氣的特點(diǎn)為：煙氣量大且波動(dòng)大;煙氣溫度波動(dòng)大，一般處于120～180℃;SO2濃度變化大;粉塵濃度高;含濕量大;含氧量高，體積分?jǐn)?shù)一般為12%～18%;含有多種污染物等。

因此，相比于燃煤煙氣，燒結(jié)煙氣脫硝的條件更加苛刻。其中，燒結(jié)煙氣溫度較低這一特點(diǎn)對(duì)催化劑的性能要求及反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的均布程度要求更高。當(dāng)選擇合適的低溫催化劑后，反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的均勻性便顯得尤為重要。

脫硝反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的均布程度具體表現(xiàn)為煙氣進(jìn)入催化劑首層前煙氣的速度分布及煙氣與還原劑的混合程度，均布程度將直接影響SCR脫硝系統(tǒng)的兩大性能———脫硝效率及氨逃逸率。

因此，本文將采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，主要觀察反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的分布情況，研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其的影響。

1脫硝反應(yīng)器幾何模型

借鑒電力、焦化行業(yè)SCR反應(yīng)器布置形式，設(shè)計(jì)圖1所示用于燒結(jié)煙氣脫硝的反應(yīng)器。該反應(yīng)器主要由煙道、噴氨格柵、整流器和反應(yīng)器本體組成，反應(yīng)器本體內(nèi)含2～3層催化劑。

圖1 SCR反應(yīng)器幾何模型

煙道入口尺寸高1.3m，豎直煙道高13m，反應(yīng)器本體高11.35m，設(shè)備總高19.65m，總寬8m，豎直煙道距反應(yīng)器本體3.31m。

本文主要研究反應(yīng)器內(nèi)導(dǎo)流板及整流器對(duì)流場(chǎng)的影響，計(jì)算對(duì)象為反應(yīng)器入口至反應(yīng)器出口，不含噴氨格柵及催化劑層。

2脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)均布方案設(shè)計(jì)

因脫硝反應(yīng)器及煙道布置受到空間、成本等因素的制約，通過增加導(dǎo)流板、整流器等內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的方法是目前的主流方向。

表1各方案內(nèi)構(gòu)件布置特點(diǎn)

設(shè)計(jì)了3種方案(表1)，包括在煙道彎頭處設(shè)置導(dǎo)流板，在反應(yīng)器本體、首層催化劑層前部設(shè)置整流器，構(gòu)件尺寸及位置如圖2和圖3所示。

圖2各彎頭導(dǎo)流板布置

圖3 整流器布置

3脫硝反應(yīng)器CFD模擬

3.1數(shù)學(xué)模型及邊界條件

煙氣由反應(yīng)器入口進(jìn)入，流量約為350000m3/h，壓力為100Pa。經(jīng)過一段煙道后進(jìn)入反應(yīng)器本體，在煙道中與噴氨格柵噴入的氨氣混合，煙道截面積及煙氣流動(dòng)方向有變化，因此為三維流動(dòng)。

在數(shù)值模擬中作出如下假設(shè)：

(1)氣體為理想狀態(tài);(2)流動(dòng)是定常的;(3)系統(tǒng)絕熱;(4)不考慮煙氣中的粉塵;(5)不考慮反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)。

根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)煙氣流動(dòng)時(shí)湍流的狀態(tài)，計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε(Standardk-ε)雙方程為湍流模型。采用分離求解器計(jì)算控制方程，壓力-速度耦合采用SIMPLE格式，壓力插值采用標(biāo)準(zhǔn)格式Standard，其余對(duì)流項(xiàng)插值采用二階迎風(fēng)格式Second Order Upwind。

為保證網(wǎng)格質(zhì)量，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性計(jì)算，反應(yīng)器網(wǎng)格總數(shù)約為150萬。采用速度入口，進(jìn)口速度為10m/s，溫度為473K;采用壓力出口，壓力默認(rèn)為初始值(大氣壓)，溫度為463K。

3.2模擬結(jié)果與分析

SCR脫硝方法對(duì)催化劑的性能要求以及反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的均布性要求很高，在選取適宜燒結(jié)煙氣脫硝的低溫催化劑后，系統(tǒng)脫硝效率及氨逃逸率基本取決于反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的均布性。

該模擬主要觀察反應(yīng)器入口、煙道頂部彎折角、反應(yīng)器本體前部及催化劑首層前部的流場(chǎng)分布，比較不同方案對(duì)其的影響，優(yōu)化內(nèi)構(gòu)件布置。

3.2.1導(dǎo)流板對(duì)反應(yīng)器入口流場(chǎng)分布的影響(彎頭1)

圖4所示為反應(yīng)器入口的速度云圖。

圖4 反應(yīng)器入口速度云圖

煙氣從水平煙道經(jīng)過彎頭1進(jìn)入豎直煙道與氨混合，此處易產(chǎn)生速度梯度，從而形成回流，紊亂的氣流會(huì)對(duì)煙氣與氨的混合產(chǎn)生影響。

從圖中看出，未加導(dǎo)流板(空塔)時(shí)，靠近左側(cè)氣流速度較大，從煙道左側(cè)至右側(cè)速度梯度較明顯，煙道空間沒有得到充分利用，且進(jìn)入豎直煙道后氣流較紊亂，流場(chǎng)分布不均勻;加入弧形導(dǎo)流板(方案1)后，煙道左側(cè)仍存在高速區(qū)，但速度梯度減小，氣流進(jìn)入豎直煙道后流場(chǎng)分布得到改善;在弧形導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上加入直板(方案2)后，煙道左側(cè)的高速區(qū)消失，煙道左側(cè)至右側(cè)速度梯度進(jìn)一步減小，煙道空間得到充分利用，豎直煙道流場(chǎng)分布均勻。

3.2.2導(dǎo)流板對(duì)煙道頂部彎折角流場(chǎng)分布的影響(彎頭2)

圖5所示為煙道頂部彎折角速度云圖。

圖5煙道頂部彎折角速度云圖

煙氣與氨混合后從豎直煙道經(jīng)過彎頭2進(jìn)入水平煙道，此處也易形成回流現(xiàn)象，且氨的加入會(huì)使得氣流均勻性變差。

可以看出，3種方案的計(jì)算結(jié)果與反應(yīng)器入口流場(chǎng)分布相似，空塔時(shí)煙道右側(cè)存在高速區(qū)，左側(cè)為低速區(qū)，煙道空間較浪費(fèi);加入弧形導(dǎo)流板后，流場(chǎng)分布得到改善;加入直板后，流場(chǎng)分布進(jìn)一步改善，高速區(qū)及低速區(qū)消失，煙道空間充分利用，進(jìn)入水平煙道后，氣流不再紊亂。

3.2.3導(dǎo)流板對(duì)反應(yīng)器本體前部流場(chǎng)分布的影響(彎頭3)

圖6所示為氣流進(jìn)入反應(yīng)器本體前的速度云圖。

圖6 反應(yīng)器本體前部速度云圖

煙氣經(jīng)過彎頭3將進(jìn)入反應(yīng)器本體，隨后進(jìn)入催化劑層進(jìn)行反應(yīng)。

相比于空塔，導(dǎo)流板的設(shè)置對(duì)流場(chǎng)起到了分流的作用。前者氣流較紊亂，從上部至下部速度梯度明顯;后者流場(chǎng)均勻性得到改善，速度梯度較小。

但導(dǎo)流板前后的流場(chǎng)仍存在回流，相比于反應(yīng)器入口及煙道頂部彎折角處，此處導(dǎo)流板的設(shè)置對(duì)流場(chǎng)均勻性的改善作用比較微弱。

3.2.4導(dǎo)流板及整流器對(duì)反應(yīng)器本體及出口流場(chǎng)分布的影響(首層催化劑前部)

煙氣從狹窄的煙道進(jìn)入反應(yīng)器本體，氣流不均勻性會(huì)加劇，在本體內(nèi)形成嚴(yán)重的回流，對(duì)反應(yīng)效率影響很大，且易造成催化劑利用不充分、堵塞等情況。

圖7所示為反應(yīng)器整體的速度云圖。

圖7 反應(yīng)器本體速度云圖

從圖中可以看出，空塔時(shí)氣流進(jìn)入反應(yīng)器本體右側(cè)速度明顯高于左側(cè)及中部，氣流從煙道進(jìn)入本體時(shí)直接流向右側(cè)，造成嚴(yán)重的回流現(xiàn)象;氣流進(jìn)入出口后，因煙道轉(zhuǎn)彎，在其右側(cè)形成高速區(qū)，速度梯度較大，反應(yīng)器本體及出口煙道空間都沒有得到充分的利用。

加入導(dǎo)流板(方案1、2)后，反應(yīng)器本體流場(chǎng)分布均勻性并未得到改善，仍存在嚴(yán)重的回流現(xiàn)象;出口煙道氣流受到導(dǎo)流板的作用，高速區(qū)減弱，流場(chǎng)分布較均勻。

在設(shè)置導(dǎo)流板的基礎(chǔ)上，在反應(yīng)器本體首層催化劑前部設(shè)置整流器(方案3)。可以看出，氣流經(jīng)過整流器后，速度梯度明顯減小，流場(chǎng)分布均勻性得到較大改善，回流現(xiàn)象幾乎不存在，反應(yīng)器本體空間得到充分利用;氣流進(jìn)入出口煙道，高速區(qū)也進(jìn)一步減弱，氣流分布更均勻。

圖8所示為首層催化劑前部速度云圖。

 

圖8 首層催化劑前部速度云圖

可以看出，未設(shè)置整流器的結(jié)構(gòu)右側(cè)速度明顯大于左側(cè)，導(dǎo)流板的加入并未改善流場(chǎng)分布的均勻性，而整流器的存在使得氣流能夠均勻地進(jìn)入首層催化劑，從而使反應(yīng)順利進(jìn)行。

4脫硝反應(yīng)器溫度分布

在燃煤煙氣脫硝系統(tǒng)中，釩鎢鈦系催化劑的活性溫度窗口為320～420℃，最佳反應(yīng)溫度窗口主要集中于340～380℃，SCR脫硝反應(yīng)效率達(dá)到最高，約90%]。

相比于燃煤脫硝，燒結(jié)煙氣溫度較低，約200℃。除了保證SCR反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布均勻外，溫度場(chǎng)的均勻分布對(duì)脫硝效率的提高及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也是關(guān)鍵所在。

圖9所示為反應(yīng)器(方案3)中心截面及首層催化劑前部的溫度場(chǎng)分布云圖。

 

圖9反應(yīng)器溫度場(chǎng)分布云圖

可以看出，氣流溫度在煙道內(nèi)幾乎沒有變化，隨后進(jìn)入反應(yīng)器本體至出口，靠近左邊壁處雖然存在小部分氣流溫度變化明顯，但整體分布較均勻，對(duì)脫硝反應(yīng)有積極作用。

5結(jié)論

燒結(jié)煙氣溫度較低，脫硝條件苛刻，除了保證低溫催化劑的性能外，SCR反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)分布對(duì)脫硝效率也有較大影響。該模擬對(duì)比了空塔及設(shè)置不同內(nèi)構(gòu)件時(shí)反應(yīng)器內(nèi)速度分布情況，得出以下結(jié)論。

(1)SCR反應(yīng)器未設(shè)置內(nèi)構(gòu)件時(shí)，流場(chǎng)分布紊亂，可以推測(cè)，空塔時(shí)脫硝效率不高，且催化劑利用不充分、易堵塞。

(2)在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板，對(duì)彎頭處的煙氣起到了較好的分流作用，煙道空間得到充分利用。

(3)首層催化劑前部設(shè)置整流器，對(duì)反應(yīng)器本體內(nèi)流場(chǎng)分布均勻性改善作用明顯，溫度場(chǎng)分布也較均勻，有利于脫硝效率的提高及催化劑的有效利用。