新型冷熱風混合系統在燒結煙氣脫硝工程中的應用及流場優化

文_伊洋 王中雷 常慧芬 中節能六合天融環保科技有限公司

氮氧化物是大氣中主要的氣態污染物之一，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。隨著環保形勢的日趨嚴格，自2018年5月起，全國各省市相繼出臺關于地方標準《鋼鐵工業大氣污染物超低排放標準》。各項標準的提出，給鋼鐵行業帶來了巨大的環保壓力，如果僅利用源頭減排和過程控制兩種措施相結合，仍不能達到最新的國家排放限值規定，必須加裝或改造原有的末端治理系統，而脫除NOx效率較高的SCR脫硝技術是在燒結機煙氣超低排放改造中，作為末端治理技術的一個較優選擇。

1 項目簡介

1.1 項目建設情況

某鋼鐵廠現有3臺550m2燒結機，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到《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》及地方政策要求，擬對燒結煙氣增設SCR脫硝裝置，以使NOx污染物排放達標排放。

1.2 機組主要設備及設計參數

單臺燒結機配置兩臺主抽風機，單臺抽風機入口煙氣流量92.4萬Nm3/h（標態、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℃，而鋼鐵行業主抽風機出口溫度約110～170℃，不能滿足要求。

需采用獨立的燃燒室對燃料進行燃燒后產生高溫熱風再與燒結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 脫硝反應機理

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

2.2 系統組成及工藝流程（見圖1）

圖1 鋼鐵煙氣脫硝工藝流程圖

鋼鐵行業主抽風機出口溫度約110～170℃，首先進入GGH升溫段升溫至250℃左右，在GGH出口處設有熱風補償裝置--熱風爐及冷熱風混合系統，適量熱風和煙氣經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。熱風爐燃料主要來自鋼鐵廠煉鐵、煉鋼車間所產生的高爐煤氣和轉爐煤氣。點火煤氣采用液化天然氣。

升溫后的煙氣與來自制氨系統的氨氣混合順序進入催化劑層反應，凈化后煙氣進入GGH降溫段降至130～160℃，終由引風機送至煙囪排放。

3 冷熱混風系統

常用混風方式有2種：①將冷熱煙氣分別從熱源頭、冷源頭引出后進去冷熱交界處的鋼制混合器，混合容器內設置螺旋導向板、管路系統設置儀表等控制系統。②將高溫熱風直接深入低溫煙氣通道內，會出現局部高溫導致低溫煙通道形變受損，甚至高溫熱風將催化劑板結，失去活性。

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

新型冷熱風混合系統由高溫熱風儲存及緩沖室、高溫熱風噴射支管、高溫熱風噴口、低溫煙氣整流器、低溫煙氣通道、橢圓盤混合器、高溫防護涂料組成。

3.1 系統設計

熱風箱外形尺寸與反應器入口煙道截面一致，根據主煙道截面、熱風覆蓋率、管徑阻力、材料的經濟性等多種因素，通過多種設計方案數值模擬結果對比，綜合計算出適用于本項目的最優支管數、管徑、分布方式。熱風箱與支管內襯高純陶瓷纖維模塊保溫。

由圖2可知，混風系統由熱風箱、熱風支管、噴嘴組成；從煙氣速度值分布發現，速度均勻，進一步計算得出熱風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 混風系統外形圖

表1 支管質量流量分布

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

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

表2 支管開孔孔徑數據表

4 SCR系統流場優化設計

流場優化對整個工藝系統達標排放具有重要影響，常以數值模擬手段進行，主要目標達到流場均勻分布，使得系統各單元流量、壓力、速度值、溫度值控制在合理的范圍內，避免出現以上因素不合理造成對設備及系統的損傷，影響運行及性能指標。對本改造項目系統進行優化。

4.1 GGH入口煙道速度場優化分析

4.1.1 優化前速度場

由圖3可以看到，煙氣90°轉彎產生了明顯偏流（速度顯示區間0～12m/s）；經計算，GGH入口截面平均流速6.051m/s，速度不均勻度CV=32.72%，設計要求小于20%，不滿足要求。

圖3 GGH入口截面速度分布圖

4.1.2 優化后速度場

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

圖4 GGH入口截面速度分布圖

4.2 溫度場優化設計

4.2.1 優化前溫度場（無混合器）

混風系統出口至SCR入口未設置混合器，經計算，平均溫度288℃，最低269℃，最高300℃，溫度不均勻度CV=1.89%。

4.2.2 優化后溫度場

由圖5可知，混風系統出口至SCR入口設置不同組數混合器，經計算，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有很多，如變異系數CV、均勻性指數γv、基于面積加權平均速度和質量加權平均速度的λ、克里斯琴森均勻系數CU等，在煙氣脫硫、脫硝、除塵領域，使用變異系數CV作為評價指標較為普遍。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。

由表3可知，設置兩組混合器可以達到更好的優化要求。

表3 三種方案溫度對比

4.3 優化后系統煙氣流線效果

圖6是系統優化后煙氣流線圖（速度顯示區間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出口變徑段設置導流板，實現SCR系統整體流速均勻。此外，從圖6還可以看到，煙氣經過靜態混合器后產生了明顯的湍流，這對冷熱風摻混和氨混合都能起到明顯的效果。

圖6 煙氣流線圖

5 結論

綜上所述，并結合多個項目的實際工程經驗，鋼鐵行業煙氣溫度一般約110～170℃，為了滿足催化劑的使用溫度280～400℃，設計一種新型冷熱風混合系統。①采用CFD軟件對該系統的外形及各單元塊進行流場數值模擬分析，分別研究支管數量、開孔孔徑，得出最優的支管數、布置方式及開孔孔徑；能有效實現溫度均勻混合，使熱風在高溫時不接觸煙道壁，避免燒損煙道，提高系統運行的穩定性。②通過增設兩組混合器、導流板得出最優的煙氣速度CV值0.91%，提高了煙氣和氨混合的均勻性及煙氣流線效果。

新型冷熱風混合系統經上述項目應用，并經流場優化后，現場效果很好，對鋼廠燒結煙氣脫硝技術設計具有一定的指導作用。①冷熱風混合更均勻，溫度場更好，保證了混合后煙氣溫度能達到SCR催化劑的設計活性溫度；②投資較低，占地面積較小，運行費用較低，比較經濟、節能；③系統設計過程中加入流場優化研究環節，可以更直觀、清晰地對設計效果進行預判、分析與修正。