新型冷熱風(fēng)混合系統(tǒng)在燒結(jié)煙氣脫硝工程中的應(yīng)用及流場優(yōu)化

文_伊洋 王中雷 ?；鄯?中節(jié)能六合天融環(huán)?？萍加邢薰?/p>

氮氧化物是大氣中主要的氣態(tài)污染物之一，含多種化合物，其中NO和NO2是大氣中主要的氮氧化物，以NOx表示。隨著環(huán)保形勢的日趨嚴(yán)格，自2018年5月起，全國各省市相繼出臺關(guān)于地方標(biāo)準(zhǔn)《鋼鐵工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》。各項標(biāo)準(zhǔn)的提出，給鋼鐵行業(yè)帶來了巨大的環(huán)保壓力，如果僅利用源頭減排和過程控制兩種措施相結(jié)合，仍不能達(dá)到最新的國家排放限值規(guī)定，必須加裝或改造原有的末端治理系統(tǒng)，而脫除NOx效率較高的SCR脫硝技術(shù)是在燒結(jié)機(jī)煙氣超低排放改造中，作為末端治理技術(shù)的一個較優(yōu)選擇。

1 項目簡介

1.1 項目建設(shè)情況

某鋼鐵廠現(xiàn)有3臺550m2燒結(jié)機(jī)，分別裝有活性炭吸附脫硫脫硝裝置，NOx污染物排放值未能達(dá)到《鋼鐵燒結(jié)、球團(tuán)工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》及地方政策要求，擬對燒結(jié)煙氣增設(shè)SCR脫硝裝置，以使NOx污染物排放達(dá)標(biāo)排放。

1.2 機(jī)組主要設(shè)備及設(shè)計參數(shù)

單臺燒結(jié)機(jī)配置兩臺主抽風(fēng)機(jī)，單臺抽風(fēng)機(jī)入口煙氣流量92.4萬Nm3/h（標(biāo)態(tài)、濕基），煙氣成分：含水率10%，含氧量16%；加活性炭凈化裝置后煙氣污染物排放值：SO2≤60mg/Nm3，NOx≤ 320mg/Nm3，粉塵 20mg/Nm3。

1.3 工藝技術(shù)特點

影響SCR法去除NOx的因素有煙氣溫度、催化劑活性、流場均勻性等，其中溫度影響到催化劑的選型。目前市場上催化劑主要分低溫、中高溫兩種。中高溫催化劑活性溫度要求不小于280℃，而鋼鐵行業(yè)主抽風(fēng)機(jī)出口溫度約110～170℃，不能滿足要求。

需采用獨立的燃燒室對燃料進(jìn)行燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)犸L(fēng)再與燒結(jié)主煙氣混合再熱以提升主煙氣溫度，以此保證脫硝煙氣的溫度滿足中高溫催化劑活性溫度要求。

2 SCR工藝介紹

2.1 脫硝反應(yīng)機(jī)理

在催化劑和氧氣存在的條件下，在適宜的溫度范圍內(nèi)，還原劑NH3選擇性的將煙氣中的NOx還原成N2和H2O。主要化學(xué)反應(yīng)如下：

2.2 系統(tǒng)組成及工藝流程（見圖1）

圖1 鋼鐵煙氣脫硝工藝流程圖

鋼鐵行業(yè)主抽風(fēng)機(jī)出口溫度約110～170℃，首先進(jìn)入GGH升溫段升溫至250℃左右，在GGH出口處設(shè)有熱風(fēng)補(bǔ)償裝置--熱風(fēng)爐及冷熱風(fēng)混合系統(tǒng)，適量熱風(fēng)和煙氣經(jīng)擾流均勻混合后溫度升至290～300℃，滿足脫硝中高溫催化劑活性溫度。熱風(fēng)爐燃料主要來自鋼鐵廠煉鐵、煉鋼車間所產(chǎn)生的高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。點火煤氣采用液化天然氣。

升溫后的煙氣與來自制氨系統(tǒng)的氨氣混合順序進(jìn)入催化劑層反應(yīng)，凈化后煙氣進(jìn)入GGH降溫段降至130～160℃，終由引風(fēng)機(jī)送至煙囪排放。

3 冷熱混風(fēng)系統(tǒng)

常用混風(fēng)方式有2種：①將冷熱煙氣分別從熱源頭、冷源頭引出后進(jìn)去冷熱交界處的鋼制混合器，混合容器內(nèi)設(shè)置螺旋導(dǎo)向板、管路系統(tǒng)設(shè)置儀表等控制系統(tǒng)。②將高溫?zé)犸L(fēng)直接深入低溫?zé)煔馔ǖ纼?nèi)，會出現(xiàn)局部高溫導(dǎo)致低溫?zé)熗ǖ佬巫兪軗p，甚至高溫?zé)犸L(fēng)將催化劑板結(jié)，失去活性。

由于傳統(tǒng)的混合設(shè)備通常占地面積大，投資較高、施工較長，因此需要設(shè)計出一種適用范圍廣、維護(hù)方便的新型冷熱風(fēng)混合系統(tǒng)。

新型冷熱風(fēng)混合系統(tǒng)由高溫?zé)犸L(fēng)儲存及緩沖室、高溫?zé)犸L(fēng)噴射支管、高溫?zé)犸L(fēng)噴口、低溫?zé)煔庹髌?、低溫?zé)煔馔ǖ?、橢圓盤混合器、高溫防護(hù)涂料組成。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計

熱風(fēng)箱外形尺寸與反應(yīng)器入口煙道截面一致，根據(jù)主煙道截面、熱風(fēng)覆蓋率、管徑阻力、材料的經(jīng)濟(jì)性等多種因素，通過多種設(shè)計方案數(shù)值模擬結(jié)果對比，綜合計算出適用于本項目的最優(yōu)支管數(shù)、管徑、分布方式。熱風(fēng)箱與支管內(nèi)襯高純陶瓷纖維模塊保溫。

由圖2可知，混風(fēng)系統(tǒng)由熱風(fēng)箱、熱風(fēng)支管、噴嘴組成；從煙氣速度值分布發(fā)現(xiàn)，速度均勻，進(jìn)一步計算得出熱風(fēng)箱及支管各截面流量值較均勻如表1所示；支管選取7根采取上下錯層布置。

圖2 混風(fēng)系統(tǒng)外形圖

表1 支管質(zhì)量流量分布

考慮回轉(zhuǎn)式GGH出口溫度的梯度，以精確模擬溫度場，通過調(diào)整熱風(fēng)支管噴嘴孔徑和孔的位置，保證支管兩個開孔實現(xiàn)溫度均勻混合，使熱風(fēng)在高溫時不接觸煙道壁，避免燒損煙道。

經(jīng)多次模擬計算得出最優(yōu)的開孔方案如表2所示，開孔大小與GGH出口溫度分布密切相關(guān)。GGH出口溫度分布較高部分，熱風(fēng)出口噴嘴孔徑較??；反之，GGH出口溫度分布較低部分，熱風(fēng)出口噴嘴孔徑較大，通過不同截面冷熱風(fēng)不同的混合比例，得到最終的均勻的反應(yīng)溫度。

表2 支管開孔孔徑數(shù)據(jù)表

4 SCR系統(tǒng)流場優(yōu)化設(shè)計

流場優(yōu)化對整個工藝系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放具有重要影響，常以數(shù)值模擬手段進(jìn)行，主要目標(biāo)達(dá)到流場均勻分布，使得系統(tǒng)各單元流量、壓力、速度值、溫度值控制在合理的范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)以上因素不合理造成對設(shè)備及系統(tǒng)的損傷，影響運行及性能指標(biāo)。對本改造項目系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 GGH入口煙道速度場優(yōu)化分析

4.1.1 優(yōu)化前速度場

由圖3可以看到，煙氣90°轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生了明顯偏流（速度顯示區(qū)間0～12m/s）；經(jīng)計算，GGH入口截面平均流速6.051m/s，速度不均勻度CV=32.72%，設(shè)計要求小于20%，不滿足要求。

圖3 GGH入口截面速度分布圖

4.1.2 優(yōu)化后速度場

由圖4可以看到，在導(dǎo)流板作用下煙氣偏流被消除，GGH入口流動均勻（速度顯示區(qū)間0～10m/s）；經(jīng)計算，GGH入口截面平均流速6.01m/s，速度不均勻度CV=15.61%，滿足設(shè)計要求。

圖4 GGH入口截面速度分布圖

4.2 溫度場優(yōu)化設(shè)計

4.2.1 優(yōu)化前溫度場（無混合器）

混風(fēng)系統(tǒng)出口至SCR入口未設(shè)置混合器，經(jīng)計算，平均溫度288℃，最低269℃，最高300℃，溫度不均勻度CV=1.89%。

4.2.2 優(yōu)化后溫度場

由圖5可知，混風(fēng)系統(tǒng)出口至SCR入口設(shè)置不同組數(shù)混合器，經(jīng)計算，一組混合器平均溫度288℃，最低272℃，最高299℃，溫度不均勻度CV=1.59%；兩組混合器平均溫度288℃，最低282℃，最高294℃，溫度不均勻度CV=0.91%。

圖5 SCR頂層催化劑入口溫度分布（有混合器）

評價分布均勻性的指標(biāo)有很多，如變異系數(shù)CV、均勻性指數(shù)γv、基于面積加權(quán)平均速度和質(zhì)量加權(quán)平均速度的λ、克里斯琴森均勻系數(shù)CU等，在煙氣脫硫、脫硝、除塵領(lǐng)域，使用變異系數(shù)CV作為評價指標(biāo)較為普遍。本項目也采用煙氣斷面速度分布的CV值作為評價流場均勻性的指標(biāo)。

由表3可知，設(shè)置兩組混合器可以達(dá)到更好的優(yōu)化要求。

表3 三種方案溫度對比

4.3 優(yōu)化后系統(tǒng)煙氣流線效果

圖6是系統(tǒng)優(yōu)化后煙氣流線圖（速度顯示區(qū)間0～20m/s）。從圖6可以看到，在上升煙道直段加裝兩組混合器后，不會存在明顯偏流，整體分布均勻；通過在SCR入口，SCR出口變徑段設(shè)置導(dǎo)流板，實現(xiàn)SCR系統(tǒng)整體流速均勻。此外，從圖6還可以看到，煙氣經(jīng)過靜態(tài)混合器后產(chǎn)生了明顯的湍流，這對冷熱風(fēng)摻混和氨混合都能起到明顯的效果。

圖6 煙氣流線圖

5 結(jié)論

綜上所述，并結(jié)合多個項目的實際工程經(jīng)驗，鋼鐵行業(yè)煙氣溫度一般約110～170℃，為了滿足催化劑的使用溫度280～400℃，設(shè)計一種新型冷熱風(fēng)混合系統(tǒng)。①采用CFD軟件對該系統(tǒng)的外形及各單元塊進(jìn)行流場數(shù)值模擬分析，分別研究支管數(shù)量、開孔孔徑，得出最優(yōu)的支管數(shù)、布置方式及開孔孔徑；能有效實現(xiàn)溫度均勻混合，使熱風(fēng)在高溫時不接觸煙道壁，避免燒損煙道，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。②通過增設(shè)兩組混合器、導(dǎo)流板得出最優(yōu)的煙氣速度CV值0.91%，提高了煙氣和氨混合的均勻性及煙氣流線效果。

新型冷熱風(fēng)混合系統(tǒng)經(jīng)上述項目應(yīng)用，并經(jīng)流場優(yōu)化后，現(xiàn)場效果很好，對鋼廠燒結(jié)煙氣脫硝技術(shù)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。①冷熱風(fēng)混合更均勻，溫度場更好，保證了混合后煙氣溫度能達(dá)到SCR催化劑的設(shè)計活性溫度；②投資較低，占地面積較小，運行費用較低，比較經(jīng)濟(jì)、節(jié)能；③系統(tǒng)設(shè)計過程中加入流場優(yōu)化研究環(huán)節(jié)，可以更直觀、清晰地對設(shè)計效果進(jìn)行預(yù)判、分析與修正。