SCR脱硝系统波纹板混合器流场研究

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(1.北京洛卡环保技术有限公司,辽宁 沈阳 110000;2.郑州锅炉股份有限公司,河南 郑州 450000)

1 引言

近年来， 大气雾霾对人们生活和健康影响日益严重，燃煤电厂排放出的NOx是大气污染物罪魁祸首之一。选择性催化还原(SCR)技术是当前世界上主流的烟气脱硝工艺，为了满足国家对NOx 超低排放的要求，多数燃煤电站需进行SCR 脱硝工程改造[1-3]。 在实际脱硝改造工程中 ，新装催化剂整体效率达标，但随着活性衰退，氨氮摩尔比偏差的问题逐渐暴露出来， 直观表现为脱硫脱硝CEMS偏差变大、氨耗量增大、空预器堵塞等； 现役机组在调试和性能测试的BMCR或高负荷条件下烟气NOx排放能够达标，但在机组灵活调峰的低负荷条件下，NH3和NOx不匹配，脱硝效率下降，氨逃逸升高； 部分脱硝提效项目，加装了备用层催化剂，虽然实现了烟气NOx的超低排放，但同时也带来了氨逃逸过大，空预器堵塞加剧的问题。这一系列问题原因在于催化剂上层流场及NOx/NH3浓度场分布不均，NOx/NH3与烟气混合效果不理想。脱硝效率越高的SCR系统对NOx/NH3与烟气混合效果要求越高，应对超低排放需要更加高超的混合技术。

为实现上述目标，国内外学者进行了大量的科学研究 ，尝试通过在SCR 系统内布置混合部件等来保证良好的流场及浓度场均匀分布特性。吴卫红等提出一种X 型静态混合器，此X 型静态混合器能够有效提高氨气与烟气的混合均匀程度，减少喷嘴数量，简化喷氨格栅及其控制系统，满足SCR 脱硝工程对静态混合器的设计要求；蔡巧梅研发一种仿树叶型混合元件，利用数值计算和试验的方法得出仿柳叶型混合元件下游的湍动能和耗散率最大，混合效果最好。可见在脱硝系统烟道中增设混合器能够使NOx/NH3与烟气充分混合，缩短混合距离。

为了加大NOx/NH3与烟气的混合，本文研发了波纹板混合器，并已将之应用在某电厂2×320MW机组SCR 脱硝系统，通过数值模拟研究波纹板混合器对于烟道内烟气和氮氧化物的混合均匀能力，主要从进口不同的NO浓度分布和波纹板混合器的角度两个方面来研究烟道进出口的压力变化情况和出口NO浓度均匀性改善情况，寻找规律为以后波纹板混合器设计提供合理化建议。

2 研究对象

图1 三维模型Fig.1 Three-dimensional model

图2 折流板尺Fig.2 baffle size

烟道截面尺寸2.4m×12m，烟道总长度20m，在距离入口5m处设置波纹板混合器；波纹板混合器为2层折流板结构，折流板截面尺寸见图2；相邻两层折流板按20度角度错列布置；波纹板混合器外形尺寸为2.4m×2m×12m。

3 计算结果分析

3.1 算例1 进口不同NO浓度分布

满负荷情况下，假设烟道进口NO相对标准偏差都是相同的，只是进口浓淡分布规律有所不同，其他边界条件都相同，工况一是进口左侧浓度偏高；工况二是中间浓度偏高；工况三是随机分散分布，计算结果如图3～图8。

图3 工况一压力云图Fig.3 Condition one pressure cloud

图4 工况一NO浓度云图Fig.4 Condition one NO concentration cloud

图5 工况二压力云图Fig.5 Condition two pressure cloud

图6 工况二NO浓度云图Fig.6 Condition two NO concentration cloud

图7 工况三压力云图Fig.7 Condition three pressure cloud

图8 工况三NO浓度云图Fig.8 Condition three NO concentration cloud 表1 算例1 计算结果Table 1 Example 1 the calculation results

压力/PaNO浓度相对标准偏差/%进口出口阻力进口出口差值工况且-555-562721.7319.332.4工况且-555-562721.7315.316.42工况3-555-562721.736.3815.35

由表1得知，此种波纹板混合器对进口随机分散分布的NO有较好的混合均匀能力均匀性改善了15.35%，其次是中间浓度高的工况，均匀性改善6.42%，最差的是一边浓度高的工况，仅改善2.4%。此种波纹板混合器更适用于进口NO均匀分散分布的情况。

3.2 算例2波纹板混合器不同角度

其他参数设置都相同，仅波纹板混合器上下折流板角度不同，工况一角度为20度；工况二角度为30度；工况三角度为50度。计算结果如图9～图14，表2。

图9 工况一 压力云图Fig.9 Condition one pressure cloud

图10 工况一NO浓度云图Fig.10 Condition one NO concentration cloud

图11 工况二压力云图Fig.11 Condition two pressure cloud

图12 工况二NO浓度云图Fig.12 Condition two NO concentration cloud

图13 工况三压力云图Fig.13 Condition three pressure cloud

图14 工况三No浓度云图Fig.14 Condition three NO concentration cloud 表2 算例2计算结果Table 2 Example2 the calculation results

压力/PaNO浓度相对标准偏差/%进口出口阻力进口出口差值工况一-555-562721.7319.332.4工况二-552-5621021.73192.73工况三-538-5612321.7315.676.06

图15 阻力和NO浓度改善随混合器角度变化

Fig.15 Resistance and NO concentration improving with mixer angle change

随着波纹板混合器的上下两块折流板角度增大，波纹板混合器对烟道阻力逐渐增大，对NO浓度混合能力增加，见图15，在角度为50度时NO浓度相对标准偏差由进口21.73%降低到15.67%，改善了6.06%。

4 结论

(1)波纹板混合器更适用于进口NO均匀分散分布的情况，出口NO浓度均匀性改善较大。

(2)增加波纹板混合器角度，波纹板混合器阻力增加，出口NO浓度均匀性明显改善。