活性焦脫硫脫硝反應器模擬及內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化

張云雷，梁大明，孫仲超，熊銀伍

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013；2.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點實驗室，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

我國燃煤煙氣排放的SO2、NOx等多種污染物控制形勢嚴峻，“十三五”時期《中共中央關于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃的建議》進一步收緊了各種污染物的排放限值，并提出了環(huán)境保護要以提高環(huán)境質(zhì)量為核心的環(huán)保理念，煙氣多污染物控制技術(shù)開發(fā)及工程化需求迫切，市場潛力巨大。活性焦干法煙氣脫硫脫硝具有脫硫效率高、脫除過程不用水的特點，同時，硫資源回收率超過90%，無廢水、廢渣等二次污染問題，在節(jié)能降耗和環(huán)境保護方面優(yōu)勢明顯，近些年來在電廠、焦化煙氣治理等領域發(fā)展勢頭迅猛[1-3]。

作為活性焦聯(lián)合脫硫脫硝工藝的核心，反應器的研究與優(yōu)化是提高脫除效果的直接手段，利用CFD軟件對反應器進行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果對反應器進行優(yōu)化能提高工作效率，降低改造成本。現(xiàn)階段，錯流移動床反應器是活性焦干法脫硫脫硝行業(yè)中應用最廣泛的反應器類型，發(fā)展較為成熟且效果優(yōu)良，因此在優(yōu)化設計過程中對反應器床型改造較少，研究大多聚焦于反應器內(nèi)部構(gòu)件的設計與優(yōu)化。為提高反應器內(nèi)煙氣流動穩(wěn)定性，增強氣固兩相的接觸，蔣新偉[4]在反應器煙氣入口位置設置整流層，煙氣經(jīng)過整流層后流動穩(wěn)定性顯著提高，但系統(tǒng)壓降較未優(yōu)化前提高了9.32%，運行成本升高。馮立波[5]對添加整流層后的反應器進行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)由于煙氣中含有大量煙塵，長時間運行后整流層出現(xiàn)堵塞情況，降低了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。黃晶晶[6]在SCR反應器煙道入口處設置導流板，加裝導流板后煙氣速度分布相對標準偏差降低了12.35%，且系統(tǒng)壓降未明顯升高，與設置整流層相比優(yōu)勢明顯。另外，由于活性焦脫硝過程采用氨選擇性催化還原的方法，需要噴入氨氣作為還原劑，氨氣在脫硝段分布是否均勻直接影響系統(tǒng)脫硝效率[6]。目前，工業(yè)上應用最廣泛的噴氨混合構(gòu)件為噴氨格柵，與靜態(tài)混合器及渦流混合構(gòu)件相比，噴氨格柵能夠?qū)Σ煌瑓^(qū)域氨氣濃度分區(qū)控制，調(diào)控更加精準。但為了加強混合效果，氨管上需開大量噴孔，且噴孔孔徑較小，有堵塞風險[7]。本文在活性焦脫硫脫硝反應器內(nèi)添加導流板來增強煙氣流動均勻性；為提高噴氨均勻性，采取噴氨格柵耦合多孔板的形式。在提高系統(tǒng)污染物脫除效率的同時降低系統(tǒng)堵灰堵管風險，增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

1 反應器物理模型

以現(xiàn)場反應器為對象，建立物理模型如圖1所示。待凈化煙氣從煙道中部入口進入反應器，向下流動，穿透下層料室活性焦層，完成脫硫過程。脫硫后煙氣進入兩側(cè)氣室，與過渡氣室噴氨格柵噴出的氨氣混合，隨后進入上部料室活性焦層完成脫硝過程。凈化完成后煙氣從上部出口排出，活性焦顆粒從反應器頂部入口進入，在重力作用下向下緩慢移動，實現(xiàn)活性焦的更新[8]。

圖1 脫硫脫硝反應器物理模型

2 反應器數(shù)學模型

2.1 基本方程

流動過程中，煙氣受到質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律以及能量守恒定律的支配，其控制方程為

(1)

(2)

φ+ST，

(3)

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；U為流體流速，m/s；ui為速度在i方向的分量，m/s；τ為應力張量，下標代表各方向分量；fi為單位體積流體的受力，N/m3；T為溫度，K；λ為摩擦因數(shù)；Cp為恒壓熱容，J/K；φ為黏性耗散項；ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

反應器模擬時還需考慮反應器中煙氣的湍流流動，因此需要添加湍流運輸方程。考慮到煙氣中組分較多，不同組分混合以及其相互作用，還需要附加組分守恒定律。由于脫硫脫硝過程中溫度變化較小，因此模擬過程中假定煙氣為不可壓縮流體[9]。

2.2 多孔介質(zhì)模型

活性焦顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，模擬過程中一般采用多孔介質(zhì)模型來簡化替代，并設定煙氣在活性焦層的流動為層流。多孔介質(zhì)模型內(nèi)連續(xù)性方程不變，動量方程附加了由黏性損失項和內(nèi)部損失項組成的動量源項[10]，方程為

(4)

其中，Si為動量源項；v為速度；μ為流體黏度；1/α和C2分別為黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)；vi為測點氣流速度。經(jīng)驗證多孔介質(zhì)模型能較好地反映活性焦的特性。現(xiàn)場反應器中活性焦為9 mm商用活性焦，其中慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)可通過活性焦床層壓降試驗求得，試驗測得多孔介質(zhì)模型動量源項方程中1/α=1.69×107和C2=3 611.4[11]。

2.3 湍流模型

湍流模型的選擇對準確描述模型內(nèi)氣流的流動狀態(tài)有重要影響[12]。與標準k-ε模型相比，模擬有旋流流動的工況時，Realizablek-ε模型和RNGk-ε模型的準確性顯著提高。但計算域中湍流和層流2種流動狀態(tài)同時存在時，Realizablek-ε模型會出現(xiàn)非自然的湍流黏度。另外，RNGk-ε模型在計算過程中耗費時間較短，所以綜合各因素本模擬選用RNGk-ε模型。根據(jù)裝置運行過程中反應器各測點的溫度測量結(jié)果，反應器內(nèi)部溫度差別不大，可近似做等溫處理。另外，煙氣在反應器內(nèi)流速較低(? 70 m/s)，且根據(jù)實測結(jié)果反應器進出口兩端壓差小于20%，其誤差在允許范圍內(nèi)。考慮將煙氣視為不可壓縮流體，簡化計算過程。

對模擬過程中所涉及到的問題做出如下假設：① 導流板視為無厚度的面；② 不考慮系統(tǒng)的漏風；③ 煙氣中各組分均視為理想氣體。

3 計算模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖1脫硫脫硝反應器物理模型，運用Gambit建立圖2計算模型并對其進行網(wǎng)格劃分。

圖2 活性焦聯(lián)合脫硫脫硝反應器計算模型及網(wǎng)格劃分

計算域內(nèi)網(wǎng)格采用四面體和六面體混合網(wǎng)格，其中不規(guī)則區(qū)域選用四面體網(wǎng)格。為了提高模擬計算的準確度，對反應器內(nèi)噴氨格柵以及煙氣入口區(qū)域采取網(wǎng)格加密。網(wǎng)格數(shù)目為170萬個。

3.1 邊界條件

活性焦在反應器內(nèi)流速較低，將其假設為靜止狀態(tài)。反應器煙氣進口采用速度邊界條件，煙氣進口速度根據(jù)實際煙氣量與入口斷面面積的比值設定，通過湍流強度和當量直徑指定入口湍流參數(shù)。煙道出口采用壓力出口邊界條件。溫度設置為室溫，導流板和噴氨混合裝置采用壁面邊界條件[13]。

3.2 求解方法與求解控制參數(shù)

由于反應器尺寸較大，所需劃分網(wǎng)格數(shù)目較多，為了保證求解的精度和速度，模擬過程中一般不修改Fluent中求解方法和求解控制參數(shù)，而使用默認值，具體設置為：梯度選用Least Squares Cell Based，壓力項選擇Standard，湍動項、動量項以及湍流耗散率項均選擇一階迎風格式[14]。

3.3 模擬煙氣條件

模擬采用與現(xiàn)場工況一致的煙氣條件(表1)。

表1 模擬煙氣條件

3.4 模型驗證

將工業(yè)裝置總壓降和模擬工況條件下模型壓降進行對比，驗證模型的準確性，結(jié)果見表2。

表2 工業(yè)裝置及模型壓降對比

不同流速下，工業(yè)裝置壓降和模型數(shù)據(jù)平均誤差為5.9%，在可接受范圍內(nèi)，因此所建立模型能在一定程度上反映工業(yè)裝置的實際運行情況。

4 模擬結(jié)果分析及內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化

4.1 煙氣導流部件的設計及添加

活性焦聯(lián)合脫硫脫硝反應器內(nèi)部煙氣跡線圖如圖3所示。可知煙氣從入口進入下層料室，從小口徑進入大口徑，存在突擴，導致入口區(qū)域及下層料室出現(xiàn)了較大渦流，煙氣軌跡紊亂。煙氣入口局部區(qū)域速度云圖如圖4所示，可知下層料室活性焦層中煙氣速度分布不均勻，焦層中部煙氣流速緩慢，活性焦未得到有效利用，而四周煙氣流速過高，煙氣凈化不充分，導致脫硫效果不理想。由于兩側(cè)氣室內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單，煙氣在經(jīng)過兩側(cè)過渡氣室未出現(xiàn)明顯渦流，因此反應器流場優(yōu)化主要集中在入口區(qū)域。

圖3 活性焦聯(lián)合脫硫脫硝反應器內(nèi)部煙氣跡線

圖4 煙氣入口局部區(qū)域速度云圖

針對煙氣入口處存在較大渦流，嚴重影響后續(xù)脫除效果的問題，考慮在煙氣入口處加裝導流板，以此增強煙氣的均布性并減少入口區(qū)域的渦流現(xiàn)象，導流板形式如圖5所示。

圖5 導流板布置形式

圖5(a)為4塊等高直板等板間距排列(方案a)；圖5(b)為4塊高度等差的直板階梯型等距排列(方案b)；圖5(c)為4塊彎曲板階梯型等距排列，其圓弧板尺寸一致，直板高度等差(方案c)。4種不同布置形式導流板尺寸見表3。

表3 不同形式導流板尺寸及板間距

根據(jù)以上布置方案，對加裝不同導流板后的反應器內(nèi)煙氣跡線圖進行了重新模擬，結(jié)果如圖6所示。

圖6 加裝不同形式導流板后反應器內(nèi)煙氣跡線

由圖6可知，加裝等距等高直導流板并沒有起到明顯的煙氣均布效果，反應器內(nèi)部仍存在較大渦流現(xiàn)象，煙氣跡線混亂無規(guī)律；加裝等距階梯型直板時，反應器入口區(qū)域均布分流效果較為明顯，但是導流板下部及近壁面處產(chǎn)生了較多小渦流，煙氣軌跡較為紊亂；加裝等距階梯型彎曲板后，靠近入口區(qū)域的小圓弧板將氣流分割成流股，由于圓弧板弧度與煙道彎頭角度相近，相對于結(jié)構(gòu)簡單的直導流板能夠避免由于煙氣流經(jīng)導流板時方向驟變而產(chǎn)生較大的阻力[15]，另外渦流主要集中在近壁面，圓弧板的設置更加貼近上彎頭壁面，能夠有效改善彎頭壁面附近的流場[16]。由圖6還可知，煙氣入口處大漩渦消失，且煙氣軌跡較為平穩(wěn)，僅在反應器底部存在較小漩渦，反應器內(nèi)部煙氣運行阻力明顯減小[17]。

針對以上3種方案，采用美國RSM標準分別計算了反應器內(nèi)部煙氣流速偏差系數(shù)以及壓降，煙氣速度分布偏差系數(shù)計算公式[18]如下：

(5)

計算結(jié)果見表4。可知未加裝導流板前原反應器的煙氣速度分布偏差系數(shù)為27.43%，壓降為1 407 Pa；加裝等距階梯彎曲板煙氣均布效果最優(yōu)，反應器內(nèi)煙氣速度分布偏差系數(shù)降低了11.08%，壓降下降了267 Pa，優(yōu)化效果明顯。

表4 不同導流板方案下反應器內(nèi)煙氣速度分布偏差系數(shù)及壓降

4.2 噴氨區(qū)域內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化

噴氨是否均勻影響最終脫硝效果，另外局部氨氣濃度過高還會導致凈化煙氣中氨逃逸率超標[19]。現(xiàn)有反應器中噴氨格柵的噴氨管結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 原噴氨區(qū)域結(jié)構(gòu)

通過數(shù)值模擬研究了反應器內(nèi)活性焦脫硝段迎氣面氨氣與煙氣的混合情況，結(jié)果如圖8所示。可知，脫硝段迎氣面氨氣分布不均勻，且氨氣主要集中在活性焦層的上部，這是由于過渡氣室較窄，噴氨管與活性焦層距離太近，氨氣來不及混合擴散。

圖8 噴氨區(qū)氨氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖

氨氣質(zhì)量分數(shù)分布偏差系數(shù)計算公式[20]如下：

(6)

(7)

(8)

計算得到未優(yōu)化前原反應器內(nèi)噴氨區(qū)氨氣質(zhì)量分數(shù)分布偏差系數(shù)為32%，氨氣分布均勻程度較差。

考慮到反應器過渡氣室較窄，采用在噴管上方加裝孔板的方案。多孔板作為一種常用的均混構(gòu)件，對塔內(nèi)流場、溫度場以及壓力場都有一定影響[21]。噴氨格柵上方加裝多孔板能夠?qū)Π睔馄鸬秸髯饔茫煞乐咕植堪睔鉂舛冗^高，實現(xiàn)速度及濃度的均一化；另外脫硝段煙氣在流經(jīng)多孔板時速度有所降低，能夠保證煙與氨氣混合更加均勻[22]。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖9所示。優(yōu)化后過渡氣室內(nèi)脫硝段活性焦迎氣面氨氣混合情況如圖10所示。

圖9 優(yōu)化后噴氨區(qū)域結(jié)構(gòu)

圖10 優(yōu)化后噴氨區(qū)氨氣質(zhì)量分數(shù)分布云圖

由圖10可知，在過渡氣室添加多孔板后，明顯改善了反應器噴氨區(qū)域氨氣分布情況，氨氣分布基本均勻，噴氨性能增強，氨使用效率提高。經(jīng)計算，優(yōu)化后噴氨區(qū)氨氣質(zhì)量分數(shù)分布偏差系數(shù)減小到11%，偏差系數(shù)降低了21%，提高了噴氨均勻性。

通過對過渡氣室內(nèi)噴氨構(gòu)件的優(yōu)化，煙氣與氨氣的混合效果改善，煙氣中污染物最終脫除效率達到85%以上。

5 結(jié) 論

1)以某工程活性焦聯(lián)合脫硫脫硝裝置為研究對象，采用CFD軟件建立了反應器物理模型并對其進行校核，不同煙氣流速下模型壓降與裝置實際壓降平均偏差5.9%，能夠較好地反映工業(yè)實際。

2)針對煙氣入口處存在渦旋的情況，提出了在入口煙道加裝導流板的方案，模擬對比了加裝不同形式導流板后煙氣入口流場情況，結(jié)果表明選用等距階梯排列的彎曲板時煙氣均布效果最好，煙氣均布性較未加裝時提高了11%。

3)針對脫硝段噴氨不均勻的情況，提出了在噴氨管上方加裝多孔板的方案，該措施能夠明顯提高氨氣在脫硝段的分布均勻性，氨氣質(zhì)量分數(shù)分布相對標準偏差較改造前降低了21%，系統(tǒng)煙氣污染物脫除效率達到85%以上，滿足煙氣排放要求。