新型冷热风混合系统在烧结烟气脱硝工程中的应用及流场优化

文_伊洋 王中雷 常慧芬 中节能六合天融环保科技有限公司

氮氧化物是大气中主要的气态污染物之一，含多种化合物，其中NO和NO2是大气中主要的氮氧化物，以NOx表示。随着环保形势的日趋严格，自2018年5月起，全国各省市相继出台关于地方标准《钢铁工业大气污染物超低排放标准》。各项标准的提出，给钢铁行业带来了巨大的环保压力，如果仅利用源头减排和过程控制两种措施相结合，仍不能达到最新的国家排放限值规定，必须加装或改造原有的末端治理系统，而脱除NOx效率较高的SCR脱硝技术是在烧结机烟气超低排放改造中，作为末端治理技术的一个较优选择。

1 项目简介

1.1 项目建设情况

某钢铁厂现有3台550m2烧结机，分别装有活性炭吸附脱硫脱硝装置，NOx污染物排放值未能达到《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》及地方政策要求，拟对烧结烟气增设SCR脱硝装置，以使NOx污染物排放达标排放。

1.2 机组主要设备及设计参数

单台烧结机配置两台主抽风机，单台抽风机入口烟气流量92.4万Nm3/h（标态、湿基），烟气成分：含水率10%，含氧量16%；加活性炭净化装置后烟气污染物排放值：SO2≤60mg/Nm3，NOx≤ 320mg/Nm3，粉尘 20mg/Nm3。

1.3 工艺技术特点

影响SCR法去除NOx的因素有烟气温度、催化剂活性、流场均匀性等，其中温度影响到催化剂的选型。目前市场上催化剂主要分低温、中高温两种。中高温催化剂活性温度要求不小于280℃，而钢铁行业主抽风机出口温度约110～170℃，不能满足要求。

需采用独立的燃烧室对燃料进行燃烧后产生高温热风再与烧结主烟气混合再热以提升主烟气温度，以此保证脱硝烟气的温度满足中高温催化剂活性温度要求。

2 SCR工艺介绍

2.1 脱硝反应机理

在催化剂和氧气存在的条件下，在适宜的温度范围内，还原剂NH3选择性的将烟气中的NOx还原成N2和H2O。主要化学反应如下：

2.2 系统组成及工艺流程（见图1）

图1 钢铁烟气脱硝工艺流程图

钢铁行业主抽风机出口温度约110～170℃，首先进入GGH升温段升温至250℃左右，在GGH出口处设有热风补偿装置--热风炉及冷热风混合系统，适量热风和烟气经扰流均匀混合后温度升至290～300℃，满足脱硝中高温催化剂活性温度。热风炉燃料主要来自钢铁厂炼铁、炼钢车间所产生的高炉煤气和转炉煤气。点火煤气采用液化天然气。

升温后的烟气与来自制氨系统的氨气混合顺序进入催化剂层反应，净化后烟气进入GGH降温段降至130～160℃，终由引风机送至烟囱排放。

3 冷热混风系统

常用混风方式有2种：①将冷热烟气分别从热源头、冷源头引出后进去冷热交界处的钢制混合器，混合容器内设置螺旋导向板、管路系统设置仪表等控制系统。②将高温热风直接深入低温烟气通道内，会出现局部高温导致低温烟通道形变受损，甚至高温热风将催化剂板结，失去活性。

由于传统的混合设备通常占地面积大，投资较高、施工较长，因此需要设计出一种适用范围广、维护方便的新型冷热风混合系统。

新型冷热风混合系统由高温热风储存及缓冲室、高温热风喷射支管、高温热风喷口、低温烟气整流器、低温烟气通道、椭圆盘混合器、高温防护涂料组成。

3.1 系统设计

热风箱外形尺寸与反应器入口烟道截面一致，根据主烟道截面、热风覆盖率、管径阻力、材料的经济性等多种因素，通过多种设计方案数值模拟结果对比，综合计算出适用于本项目的最优支管数、管径、分布方式。热风箱与支管内衬高纯陶瓷纤维模块保温。

由图2可知，混风系统由热风箱、热风支管、喷嘴组成；从烟气速度值分布发现，速度均匀，进一步计算得出热风箱及支管各截面流量值较均匀如表1所示；支管选取7根采取上下错层布置。

图2 混风系统外形图

表1 支管质量流量分布

考虑回转式GGH出口温度的梯度，以精确模拟温度场，通过调整热风支管喷嘴孔径和孔的位置，保证支管两个开孔实现温度均匀混合，使热风在高温时不接触烟道壁，避免烧损烟道。

经多次模拟计算得出最优的开孔方案如表2所示，开孔大小与GGH出口温度分布密切相关。GGH出口温度分布较高部分，热风出口喷嘴孔径较小；反之，GGH出口温度分布较低部分，热风出口喷嘴孔径较大，通过不同截面冷热风不同的混合比例，得到最终的均匀的反应温度。

表2 支管开孔孔径数据表

4 SCR系统流场优化设计

流场优化对整个工艺系统达标排放具有重要影响，常以数值模拟手段进行，主要目标达到流场均匀分布，使得系统各单元流量、压力、速度值、温度值控制在合理的范围内，避免出现以上因素不合理造成对设备及系统的损伤，影响运行及性能指标。对本改造项目系统进行优化。

4.1 GGH入口烟道速度场优化分析

4.1.1 优化前速度场

由图3可以看到，烟气90°转弯产生了明显偏流（速度显示区间0～12m/s）；经计算，GGH入口截面平均流速6.051m/s，速度不均匀度CV=32.72%，设计要求小于20%，不满足要求。

图3 GGH入口截面速度分布图

4.1.2 优化后速度场

由图4可以看到，在导流板作用下烟气偏流被消除，GGH入口流动均匀（速度显示区间0～10m/s）；经计算，GGH入口截面平均流速6.01m/s，速度不均匀度CV=15.61%，满足设计要求。

图4 GGH入口截面速度分布图

4.2 温度场优化设计

4.2.1 优化前温度场（无混合器）

混风系统出口至SCR入口未设置混合器，经计算，平均温度288℃，最低269℃，最高300℃，温度不均匀度CV=1.89%。

4.2.2 优化后温度场

由图5可知，混风系统出口至SCR入口设置不同组数混合器，经计算，一组混合器平均温度288℃，最低272℃，最高299℃，温度不均匀度CV=1.59%；两组混合器平均温度288℃，最低282℃，最高294℃，温度不均匀度CV=0.91%。

图5 SCR顶层催化剂入口温度分布（有混合器）

评价分布均匀性的指标有很多，如变异系数CV、均匀性指数γv、基于面积加权平均速度和质量加权平均速度的λ、克里斯琴森均匀系数CU等，在烟气脱硫、脱硝、除尘领域，使用变异系数CV作为评价指标较为普遍。本项目也采用烟气断面速度分布的CV值作为评价流场均匀性的指标。

由表3可知，设置两组混合器可以达到更好的优化要求。

表3 三种方案温度对比

4.3 优化后系统烟气流线效果

图6是系统优化后烟气流线图（速度显示区间0～20m/s）。从图6可以看到，在上升烟道直段加装两组混合器后，不会存在明显偏流，整体分布均匀；通过在SCR入口，SCR出口变径段设置导流板，实现SCR系统整体流速均匀。此外，从图6还可以看到，烟气经过静态混合器后产生了明显的湍流，这对冷热风掺混和氨混合都能起到明显的效果。

图6 烟气流线图

5 结论

综上所述，并结合多个项目的实际工程经验，钢铁行业烟气温度一般约110～170℃，为了满足催化剂的使用温度280～400℃，设计一种新型冷热风混合系统。①采用CFD软件对该系统的外形及各单元块进行流场数值模拟分析，分别研究支管数量、开孔孔径，得出最优的支管数、布置方式及开孔孔径；能有效实现温度均匀混合，使热风在高温时不接触烟道壁，避免烧损烟道，提高系统运行的稳定性。②通过增设两组混合器、导流板得出最优的烟气速度CV值0.91%，提高了烟气和氨混合的均匀性及烟气流线效果。

新型冷热风混合系统经上述项目应用，并经流场优化后，现场效果很好，对钢厂烧结烟气脱硝技术设计具有一定的指导作用。①冷热风混合更均匀，温度场更好，保证了混合后烟气温度能达到SCR催化剂的设计活性温度；②投资较低，占地面积较小，运行费用较低，比较经济、节能；③系统设计过程中加入流场优化研究环节，可以更直观、清晰地对设计效果进行预判、分析与修正。