某化工廢氣焚燒廠SCR脫銷系統(tǒng)煙道仿真優(yōu)化設(shè)計研究

劉上光

摘要：以某化工廢氣焚燒廠兩臺SCR 脫硝系統(tǒng)為研究對象，分別研究了導流板、混合器、整流器等裝置對SCR脫硝系統(tǒng)中溫度場、氨濃度場、速度場的影響，經(jīng)過分析比較兩種負荷運行條件下的各個要求指標，可以看出PROJIECT1方案中，采用一二三級靜態(tài)混合器、彎管導流板、擴口導流板結(jié)合整流器的方案最優(yōu)，額定工況下速度偏差降低至2.01%，氨濃度偏差降低至2.33%，溫度偏差為±3K，整個煙道阻力為1393K，整個優(yōu)化設(shè)計均遠優(yōu)于技術(shù)指標要求;而PROJIECT2方案中，采用相同的方案，額定工況下能夠使得速度偏差降低至1.76%，氨濃度偏差降低至4.31%，溫度偏差為±2K，整個煙道阻力為1183K，整個優(yōu)化設(shè)計均遠優(yōu)于技術(shù)指標要求。

關(guān)鍵詞：廢氣焚燒;SCR;煙道設(shè)計;仿真優(yōu)化

Abstract ?Two SCR denitrification systems of a waste gas incineration plant are analyzed by CFD，and the effects of the devices such as deflectors，mixers and rectifiers on the temperature field，ammonia concentration field and speed field in SCR denitrification system were studied respectively. The requirements indicators under the two load operating conditions are analyzed，and the results show that it can be seen that the scheme of using one-two-three static mixers，elbow guide plates，expanded vent guide plates combined with rectifiers is optimal in the PROJIECT1 scheme. Under rated operating conditions in the PROJIECT1，the speed deviation can be reduce to 2.01%，and ammonia concentration deviation can be reduced to 2.33%. The temperature deviation is only ±3K，and the entire flue resistance is 1393K.The entire optimization design is far better than the technical specifications. Under rated operating conditions in the PROJIECT2，the speed deviation can be reduce to 1.76%，and ammonia concentration deviation can be reduced to4.31%. The temperature deviation is only ±2K，and the entire flue resistance is 1183K.The entire optimization design is far better than the technical specifications.

Keywords ? Waste gas incineration，SCR，flue design，simulation optimization.

前言

隨著 “碳達峰”“碳中和”發(fā)展路線的提出，對環(huán)境要求也越來越提高。其中垃圾分類也在上海等地區(qū)實施，為廢氣焚燒廠提供了更加優(yōu)秀的焚燒垃圾，同時各界對廢氣焚燒廠的要求也越來越嚴。目前，廢氣焚燒處理具有技術(shù)可靠、容量大、對垃圾適應(yīng)性強、運行維護方便等優(yōu)點，具有較高的推廣價值[1]。但是，其會排放大量的污染煙氣，如NOx、Sox以及二惡英等。因此，需采用過不同治理方法對其污染煙氣進行處理，其中選擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝是目前我國使用較為廣泛的脫硝技術(shù)，該技術(shù)具有脫硝效率高、控制方便、運行可靠等特點[2，3]。

Liu 等[4]針對低揮發(fā)分燃煤鍋爐系統(tǒng)中 SCR系統(tǒng)煙道和導流板布置進行了優(yōu)化設(shè)計仿真，有效降低了 NOx 排放，并減少了氨耗量。陶正新等[5]采用 CFD 仿真技術(shù)對 SCR脫硝裝置進行優(yōu)化改造，對彎道內(nèi)側(cè)弧形導流板和整流格柵結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，大幅消減了催化劑層上方低速區(qū)，改進了煙氣速度分布的不均勻性。除此之外，國內(nèi)陳太平[6]、董陳[7]、張波[8]、張彥軍[9]等都對SCR煙道系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，證明了采用CFD仿真優(yōu)化設(shè)計后，能夠有效提升脫硝效率，減少NOx的排放量。

本文針對某化工廢氣焚燒廠中兩臺SCR 脫硝系統(tǒng)為研究對象，分別研究了導流板、靜態(tài)混合器、整流器等裝置對SCR脫硝系統(tǒng)中溫度場、氨濃度場、速度場的影響，并分析比較各種裝置的作用，提出了優(yōu)化設(shè)計方案。

1 SCR煙道及仿真模型介紹

1.1 SCR煙道介紹及仿真要求

某廢氣焚燒電廠的兩臺廢氣焚燒爐分為PROJIECT1和PROJIECT2，煙道系統(tǒng)如圖 1所示。PROJIECT1煙道系統(tǒng)總長15米，為L型設(shè)計，兩層催化劑層，PROJIECT2煙道系統(tǒng)總長12米，一層催化劑層。兩者均要求通過煙道設(shè)計使得進入催化劑前速度偏差10%以內(nèi)，濃度偏差5%以內(nèi)，溫度偏差±10K，其中PROJIECT1速度偏差為20%，氨濃度偏差為15%，溫度偏差為±25K;PROJIECT2速度偏差從16%，氨濃度偏差為18%降低，溫度偏差為±20K。

PROJIECT1和PROJIECT2的入口煙氣條件及噴氨量如表1所示。

1.2 數(shù)值仿真模型介紹

SCR煙道系統(tǒng)數(shù)值仿真模型主要涉及到流場模型（標準k-?模型[10]）及催化劑模型（多孔介質(zhì)模型[11]）。SCR 煙道系統(tǒng)數(shù)值仿真過程中數(shù)學模型的基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程，這些為基礎(chǔ)方程不做詳細介紹。

1.2.1 標準k-?模型

SCR 煙道系統(tǒng)內(nèi)煙氣呈湍流流動，本文選擇標準k-?模型模擬煙道系統(tǒng)中煙氣流動過程。湍動能 k與耗散率?對應(yīng)的輸運方程[10]如下：

1.3數(shù)值仿真網(wǎng)格介紹

網(wǎng)格采用六面體和四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方式，其中PROJIECT1網(wǎng)格950萬，PROJIECT2網(wǎng)格910萬，并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，保證結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)。具體網(wǎng)格如圖 2和圖 3所示。

1.4評價指標

本文采用相對標準偏差描述 SCR煙道系統(tǒng)中特定截面的速度及濃度等參數(shù)偏離其平均值的程度。相對標準偏差定義如下[12]：

1.5模擬工況

表 1給出了PROJIECT1及PROJIECT2的模擬工況。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 PROJIECT1模擬結(jié)果與分析

2.1.1 PROJIECT1額定工況下速度場

圖4給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的速度場，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，四個案例經(jīng)過各種裝置的聯(lián)合作用下，各個速度場分布都較均勻。但是不難發(fā)現(xiàn)，一級靜態(tài)混合器的作用效果明顯，其能夠形成擾流使得氨氣噴入后快速混合。而一級靜態(tài)混合的形式也有著明顯的不同，星型靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)更有利于氨氣噴入后的快速混合。整流器的存在起到的作用相對較弱。表 2給出了第一層催化劑前0.1m處的速度分布的相對偏差結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，四個案例的相對速度偏差均小于15%的要求。其中，案例四的方案效果最好，僅2.01%，遠遠低于要求。

2.1.2 PROJIECT1額定工況下PROJIECT1濃度場

圖5給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的速度場，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，四個案例經(jīng)過各種裝置的聯(lián)合作用下，各個濃度場分布都明顯改善。但是不難發(fā)現(xiàn)，一級靜態(tài)混合器的作用效果明顯，其能夠形成擾流使得氨氣噴入后快速混合。而一級靜態(tài)混合的形式的作用相對較弱。整流器的存在起到的作用也相對較弱。表 3給出了第一層催化劑前0.1m處的氨濃度分布的相對偏差結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，四個案例中，沒有一級靜態(tài)混合器的案例1中的氨濃度排查大于目標5%的要求，其它三個案例的相對濃度偏差均小于5%的要求。其中，案例四的方案效果最好，僅2.33%，遠遠低于要求。

2.1.3 PROJIECT1額定工況下PROJIECT1溫度場

圖 6給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的溫度場，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，四個案例經(jīng)過各種裝置的聯(lián)合作用下，各個速溫度分布都較均勻。但是不難發(fā)現(xiàn)，一級靜態(tài)混合器的作用效果明顯，其能夠形成擾流使得氨氣噴入后快速混合。而一級靜態(tài)混合的形式的影響相對較弱。整流器的存在起到的作用相對較弱，且存在偏斜。表 4給出了第一層催化劑前0.1m處的溫度分布的相對偏差結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，四個案例的平均溫度相對偏差均小于10K。其中，案例四的方案效果最好，僅±3K，遠遠低于要求。

2.1.4 PROJIECT1額定工況下壓力降

圖 7給出了PROJIECT1中4個案例在額定運行工況下的壓力場，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，四個案例經(jīng)過各種裝置的聯(lián)合作用下，總壓力降均符合要求。但是不難發(fā)現(xiàn)，一級靜態(tài)混合器的作用效果明顯，其存在壓力降顯著增大。而一級靜態(tài)混合的形式也有著明顯的不同，星型靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)相對面積較小，因此壓降較小。整流器的存在起到的作用相對較弱。表 5給出了經(jīng)過不同裝置處的壓力降，不難發(fā)現(xiàn)，四個案例的壓力降均為超過2000Pa。其中，案例三的方案效果最好，僅1383Pa。

2.1.5 二級及三級靜態(tài)混合器的作用

二級及三級靜態(tài)混合器的作用是分別通過強制上下和左右流動，使得速度場和濃度場溫度場快速混合，從而削減彎管帶來的影響。為了更清晰的說明二級及三級靜態(tài)混合器的作用，對二級及三級靜態(tài)混合器的前后界面進行監(jiān)測，三個截面ABC如圖 8所示。

通過監(jiān)測ABC三個截面的速度場、濃度場以及溫度場，結(jié)果如圖 9所示。不難發(fā)現(xiàn)，增加了二級和三級混合氣器后，無論是速度場、濃度場以及溫度場在C截面后達到了相對均勻的結(jié)果，經(jīng)過二級混合器后氨氣濃度場以及溫度場明顯改善，但是速度場存在著較大差距。不過再經(jīng)過三級混合器后，三個指標均明顯改善，這也說明了二級及三級混合器需要聯(lián)合使用才能夠有效的起作用。經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，A截面的氨氣濃度相對偏差為13.3%，B截面的氨氣濃度相對偏差為7.1%，C截面的氨氣濃度相對偏差為3.3%，由此可見，二級及三級混合器在對氨濃度場均勻分布的作用顯著，是無法取消的。

2.1.6 PROJIECT1低負荷工況下模擬結(jié)果與分析

采用案例四中裝置設(shè)置方式，并用相同的方法模擬分析了PROJIECT1低負荷運行性條件下的工況分析，結(jié)果如圖 10所示，PROJIECT1低負荷運行性條件下的速度場、濃度場、溫度場及壓力場分布均符合設(shè)計要求，經(jīng)計算得到，平均速度0.75m/s，速度相對偏差為3.33%;平均氨氣濃度3.37e-3，速度相對偏差為2.80%;平均溫度為582.9K，最高溫度為581.3K，最低溫度為583.9K，平均偏差不超過±2K;整個煙道壓力降為1010Pa。

2.2 PROJIECT2模擬結(jié)果與分析

2.2.1 PROJIECT2額定工況下

采用PROJIECT1的分析方式，并用相同的方法模擬分析了PROJIECT2的工況，對一二三級靜態(tài)混合器、導流板、整流器等裝置進行分析比較，最后發(fā)現(xiàn)采用一二三級混合器、導流板和整流器的結(jié)果最好，其結(jié)果如圖 11所示，PROJIECT2額定工況運行性條件下的速度場、濃度場、溫度場及壓力場分布均符合設(shè)計要求，經(jīng)計算得到，平均速度4.03m/s，速度相對偏差為1.76%;平均氨氣濃度8.45e-05，速度相對偏差為4.30%;平均溫度為622.36K，最高溫度為 623.47K，最低溫度為 620.42K，平均偏差不超過±2K;整個煙道壓力降為1183Pa。

2.2.2 PROJIECT2低負荷運行工況下

采用相同的方法模擬分析了PROJIECT2低負荷運行工況，其結(jié)果如錯誤！未找到引用源。所示，PROJIECT2額定工況運行性條件下的速度場、濃度場、溫度場及壓力場分布均符合設(shè)計要求，經(jīng)計算得到，平均速度3.6m/s，速度相對偏差為2.58%;平均氨氣濃度9.46e-5，速度相對偏差為4.31%;平均溫度為622.35 K，最高溫度為621.41K，最低溫度為623.2K，平均偏差不超過±2K;整個煙道壓力降為1143Pa。

3 結(jié) ?論

針對某化工廢氣焚燒廠中兩臺鍋爐的SCR煙道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，采用湍流和多孔介質(zhì)模型，分析比較了各種工況，最后給出了最優(yōu)的方案設(shè)計，具體結(jié)果如下：

（1）PROJIECT1案例中，采用一二三級靜態(tài)混合器、彎管導流板、擴口導流板結(jié)合整流器的方案最優(yōu)，額定工況運行下其結(jié)果能夠使得速度偏差從20%降低2.01%，氨濃度偏差從15%降低至2.33%，溫度偏差為±3K，整個煙道阻力為1393K，整個優(yōu)化設(shè)計均遠優(yōu)于技術(shù)指標要求。其中一二三級靜態(tài)混合器的作用是使得氨氣濃度分布均勻，而導流板主要是幫助速度場分布均勻。

（2）PROJIECT2案例中，采用相同的方案，額定工況運行下其結(jié)果能夠使得速度偏差從16%降低1.76%，氨濃度偏差從18%降低至4.31%，溫度偏差為±2K，整個煙道阻力為1186K，整個優(yōu)化設(shè)計均遠優(yōu)于技術(shù)指標要求。

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