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水泥窑SCR脱硝反应器入口烟气均流扩散的数值模拟研究

摘要

为解决上进下出布置形式的SCR反应器入口烟道内流场分布不均匀、催化剂层中心区域磨损以及靠近烟道壁面区域积灰等问题，本研究以天津振兴产能为2?000t/d二线水泥窑的中温中尘SCR脱硝装置为研究对象进行了流场模拟及流场优化。通过Ansysfluent软件对全尺寸SCR反应器烟道内的流场分布特性进行了模拟，提出了在反应器扩张段烟道进口位置设置一组导流格栅、在扩张段烟道中间位置设置一层均布板及第二组导流格栅的流场优化方案，优化方案中导流格栅起到引导烟气扩散流动的辅助作用，均布板起到了主要的均流作用，本研究通过仿真试验的方式选取50%开孔率、60°错排圆孔、孔径60mm作为均布板的最优参数，优化方案通过工程案例进行了可行性验证。计算结果显示优化方案对系统压损的负担较小，能有效提高烟气分布均匀性，实现催化剂入口速度分布Cv＜15%的技术要求。优化改造后现场实测结果显示，催化剂入口速度分布均匀性由Cv=48.5%，优化到Cv=14.5%，系统阻力仅增加91.5Pa，脱硝效率提高了11.2%达到86.4%。

氮氧化物（NOx）是由氮、氧两种元素组成的化合物的总称，氮氧化物种类很多，包括一氧化二氮（N2O）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、五氧化二氮（N2O5）等，其中NO和NO2的混合物又称硝烟，是大气污染物的主要污染源，会导致雾霾、酸雨和光化学污染等气候灾害的环境问题，也是形成温室效应的主要温室气体之一，对人类健康及自然环境带来了巨大的危害。我国是水泥生产和使用大国，NOx排放量巨大，约占全国NOx排放量的15%，是继火电和交通运输之后的第三大工业污染源。随着我国对NOx排放标准的提高，水泥行业NOx减排势在必行。为了贯彻实行国家“蓝天保卫战”的可持续发展环保战略，国务院颁布的《十三五节能减排综合工作方案》中对水泥行业的NOx的排放标准进行了严格的要求，其中河北、安徽、河南、江苏等省份要求水泥厂的NOx排放标准限制在100mg/Nm3以下，目前水泥行业节能减排已成为继电力行业实现超低排放改造之后的大气环保治理工作的重中之重。

SCR是英文SelectiveCatalyticReduction的英文缩写，即为选择性催化还原技术，SCR脱硝技术通过氨基还原剂将烟气中的NOx还原为N2，具有脱硝效率高、运行稳定，能将氨逃逸控制在5mg/Nm3以下等优点，作为一种成熟的脱硝技术被国内外广泛应用于工业窑炉NOx处理技术领域。相比于电力及钢铁行业成熟的SCR技术应用，SCR技术在水泥工业中的应用起步较晚，SCR反应器工艺设计参数研究不够成熟，除此之外，水泥窑烟气具有流速高、含灰量较大的特点，运行中存在催化剂磨损和积灰等问题，严重地影响了SCR的脱硝效率，因此水泥窑SCR脱硝技术比燃煤电厂的难度要大，工程应用中不能完全照搬燃煤电厂脱硝技术经验，需要针对水泥窑特点进行技术改进和创新。

本研究通过CFD软件，采用计算机数值模拟方法，建立水泥窑SCR脱硝系统模型，着重对SCR反应器入口的流场分布特性进行了仿真计算及理论分析，为水泥窑SCR脱硝技术的工程应用提供理论依据和技术支持。

1系统介绍

1.1水泥窑SCR技术路线

水泥窑SCR脱硝技术中根据窑炉排放烟气的含灰量可划分为：高尘（50~100g/Nm3）、中尘（10~50g/Nm3）及低尘（~10g/Nm3）三种烟气工况，根据SCR催化剂使用温度窗口分为高温（280~350℃）、中温（160~230℃）和低温（~120℃）脱硝三种技术路线，其中高温SCR反应器布置在余热锅炉上游及预热器出口之间的位置，中低温SCR催化剂反应器布置在余热锅炉下游及高温风机之间的位置。综合考虑催化剂反应特性、工程项目运行改造成本、SCR对窑炉运行工况及余热锅炉发电效率的影响等因素，中温中尘水泥窑SCR脱硝工艺具有较高的安全性、稳定性及较高的性价比的优势，目前已经成为国内水泥窑脱硝改造采用的技术路线之一。

1.2研究对象

本研究以天津振兴水泥窑超低排放改造项目的中温中尘SCR脱硝系统为研究对象，对水泥窑脱硝改造方案进行研究和论证。本研究对象SCR反应器及烟道的几何模型如图1所示，模型入口与余热锅炉出口相连，反应器采用上进下出的烟道布置结构形式，反应器入口烟道为直径D=2?720mm的圆形烟道结构，进口圆形烟道通过扩张段烟道结构与流通截面为6?140mm×5?420mm反应器烟道相连，反应器烟道内布置三层催化剂层，反应器出口烟道与高温风机及增湿塔相连。

图1水泥窑SCR反应器及其入口连接烟道的几何模型

1.3运行参数

本研究对象的二线水泥窑为设计产能2?000t/d的新型干法水