SCR脫硝反應(yīng)器物理場特性研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

摘要：本文主要針對SCR脫硝反應(yīng)器物理場特性進行分析，思考了SCR脫硝反應(yīng)器物理場特性的主要內(nèi)容，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)問題，希望能夠為今后的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝反應(yīng)器，物理場，特性，結(jié)構(gòu)，優(yōu)化

前言

在思考SCR脫硝反應(yīng)器物理場特性的過程中，要明確其目的是更好的提升其整體的效果，因此，我們有必要進一步探討結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計問題，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的整體質(zhì)量。

1、SCR脫硝反應(yīng)器概述

國內(nèi)電站實際應(yīng)用SCR（選擇性催化還原）煙氣脫硝技術(shù)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)中、低負(fù)荷下SCR反應(yīng)器入口煙溫低于SCR催化劑的最佳反應(yīng)溫度窗口，嚴(yán)重時甚至低于正常反應(yīng)溫度等問題，導(dǎo)致SCR反應(yīng)器運行效率明顯偏低，嚴(yán)重影響余熱鍋爐的脫硝效率、N0x排放濃度和氨逃逸率。因此，需要在不影響余熱鍋爐整體運行下，有效提高SCR反應(yīng)效率，維持SCR催化劑的較高活性，保證原SCR反應(yīng)器系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的是很有必要的。

2、模擬系統(tǒng)設(shè)計

NOx嚴(yán)重危害人體健康，還是光化學(xué)煙霧和酸雨的主要誘因，而大氣氮氧化物污染物的主要來源是電站鍋爐燃煤排放。隨著新標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）的實施，國家對火電廠NOx排放要求日趨嚴(yán)格。目前，控制NOx排放的主要措施有2種：燃燒控制和煙氣脫硝。非選擇性催化還原法（selectivenon-catalyticreduction，SNCR）和選擇性催化還原法（selectivecatalyticreduction，SCR）是當(dāng)下主要的煙氣脫硝方法。因SCR脫硝技術(shù)脫硝效率比較高且運行較可靠，在國內(nèi)外大型燃煤機組煙氣脫硝中應(yīng)用最為廣泛。然而，目前大型燃煤機組普遍存在因噴氨控制不準(zhǔn)確，SCR反應(yīng)器內(nèi)流場分布不均，催化劑層入口處NH3、NOx混合狀況不佳等原因造成的噴氨過量和大量氨逃逸的問題。氨泄漏一方面會直接給電廠帶來經(jīng)濟損失，另一方面還會使催化劑老化，催化劑積灰減小催化面積，并導(dǎo)致空氣預(yù)熱器結(jié)渣，給電廠帶來間接經(jīng)濟損失，并帶來安全問題。

在實際工藝中，SCR煙氣脫硝反應(yīng)器通常布置在鍋爐省煤器出口與空氣預(yù)熱器入口之間以滿足反應(yīng)溫度要求。經(jīng)稀釋的氨氣通過固定在氨噴射格柵上的噴嘴均勻地噴入煙氣中，與煙氣混合后一起進入填充有催化劑的SCR反應(yīng)器。NOx與NH3在催化劑的作用下，選擇性地與煙氣中的NOx（主要為NO和少量的NO2）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)換成無害的氮氣與水蒸氣，從而完成脫硝過程。

SCR煙氣脫硝反應(yīng)器模擬系統(tǒng)主要由煙風(fēng)道、導(dǎo)流板、整流格柵及催化劑層、給灰系統(tǒng)、供氨與噴氨系統(tǒng)、測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾部分組成。

2.1煙風(fēng)道

為了確保SCR脫硝反應(yīng)器模型中的流場壓降、速度及濃度分布與原型反應(yīng)器保持工況相似，按照幾何相似的準(zhǔn)則把原型反應(yīng)器按10∶1縮小。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中氣體的流動為管內(nèi)流動，按照粘滯力相似準(zhǔn)則，原型與模型的雷諾數(shù)相等，選取空氣作為模擬煙氣的介質(zhì)確定相關(guān)物理量。

模型系統(tǒng)煙道采用鋼材與透明有機玻璃組成的模塊化結(jié)構(gòu)，以法蘭連接，便于觀察流場，并可以根據(jù)試驗研究與優(yōu)化設(shè)計的需要方便地調(diào)整模擬系統(tǒng)的整體構(gòu)成、局部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部裝置的結(jié)構(gòu)型式與布置方式。模型系統(tǒng)出口布置xgf-6.5-Ⅱ引風(fēng)機為整個通道提供流場動力與負(fù)壓保證，以模擬原型反應(yīng)器環(huán)境。

2.2導(dǎo)流板

脫硝率和氨逃逸率是衡量SCR脫硝性能的兩個重要指標(biāo)，其很大程度上取決于進入催化劑層之前氮氧化物和氨氣混合濃度及速度分布的均勻程度。在實際過程中，為保證煙氣與氨氣混合均勻，在脫硝系統(tǒng)煙道中加裝均流裝置———導(dǎo)流板。該系統(tǒng)總共采用3級導(dǎo)流板，第1級布置在煙道入口（1號導(dǎo)流板），第2級布置在左上部（2號導(dǎo)流板），第3級布置在右上部（3號導(dǎo)流板）。這些導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)型線、布置位置、每級導(dǎo)流板的數(shù)量等均可按照試驗研究與優(yōu)化設(shè)計的需要進行調(diào)整。

2.3整流格柵及催化劑層

催化劑進口前端采用均布多孔網(wǎng)格作為整流裝置，可使混合后的煙氣與氨均勻地噴射到催化劑上，以保證脫硝率和降低氨逃逸率。催化劑層以鋁合金條形材做支撐網(wǎng)格，以多孔網(wǎng)格多層迭加平鋪的形式布置，調(diào)整多孔網(wǎng)格數(shù)可達到調(diào)整阻力的目的。考慮到與原型反應(yīng)器一致，在兩層催化劑層之后還留有一層備用。

2.4給灰系統(tǒng)

由于脫硝催化劑活性的溫度要求，SCR脫硝系統(tǒng)布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間較為合適。該區(qū)域?qū)儆诟吆瑝m區(qū)域，煙氣中含有的灰分不但會造成設(shè)備和催化劑層的磨損，而且當(dāng)煙氣流速低時可能會造成催化劑層堵塞。因此，需要進行灰分沉降試驗。

飛灰可以采用滑石粉或來自煤粉鍋爐的飛灰，在風(fēng)機出口加裝除塵布袋以收集排出的飛灰。

3、模擬試驗

以某地電廠在建的2×600MW火電機組脫硝系統(tǒng)為對象，在BMCR、75%THA和50%THA3種工況下利用高速攝像頭拍攝模擬氨氣（在煙道入口布置2臺舞臺煙霧機同時噴入煙霧示蹤劑，以實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)流動的可視化）及飛灰在模型中的分布情況。

模擬系統(tǒng)中風(fēng)道的水平段、第1、2層催化劑前的速度分布比較均勻，其中水平段的速度分布標(biāo)準(zhǔn)差為11.5%～13.9%，第1層催化劑前的速度分布標(biāo)準(zhǔn)差為13.8%～13.9%，第2層催化劑前的速度分布標(biāo)準(zhǔn)差為13.6%～13.9%，均小于14%。模擬系統(tǒng)中的第1、2層催化劑前的CO2濃度分布均勻，第1層催化劑前的濃度分布標(biāo)準(zhǔn)差為3.32%～4.42%，第2層催化劑前的濃度分布標(biāo)準(zhǔn)差為3.53%～4.69%，CO2的濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%，分布均勻，用CO2模擬氨氣完全符合要求。在BMCR工況下進行飛灰分布特性試驗。

飛灰在風(fēng)道內(nèi)以及催化劑層上分布均勻，說明該模擬系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果所確定的模型外形、尺寸及各調(diào)節(jié)擋板的安裝位置與幾何尺寸合理。在50%THA工況下進行流場可視化試驗，直觀觀察風(fēng)道中空氣的分布規(guī)律，并進一步驗證定量測試的結(jié)果。結(jié)果表明，氣流在裝置風(fēng)道內(nèi)分布均勻且經(jīng)過整流格柵后具有較好的垂直度，能滿足設(shè)計及實際運行要求。

4、結(jié)束語

綜上所述，在SCR脫硝反應(yīng)器物理場特性的研究過程中，一定要把握其重點和要點，本文總結(jié)了SCR脫硝反應(yīng)器物理場特性的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，可供參考。

參考文獻：

[1]姜燁，高翔，吳衛(wèi)紅，張涌新.選擇性催化還原脫硝催化劑失活研究綜述[J].中國電機工程學(xué)報，2017，33（14）：18-31+13.