CFD在水泥SCR工艺中的应用及发展现状.pdf
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1、 作者简介:白文文(1995),女,汉族,硕士,西安龙净环保科技有限公司,工程师,大气污染控制。CFD 在水泥 SCR 工艺中的应用及发展现状 白文文 尹 成 任 凯 任 轩 赵国阳 西安龙净环保科技有限公司,陕西 西安 710075 摘要:摘要:水泥行业氮氧化物超低排放改造如火如荼,SCR 技术作为一种高效脱氮技术,在水泥行业的应用正处于研究试运行阶段。同时 CFD 流体仿真技术发展迅速,可为 SCR 脱硝工艺的改进与应用提供技术支撑。本文综述了基于 CFD 手段的 4 种 SCR 工艺路线的发展现状及存在问题,并展望了 CFD 技术中的传热传质、积灰及化学反应在 SCR设备上的应用及研究方
2、向。关键词:关键词:水泥行业;氮氧化物;SCR;CFD 中图分类号:中图分类号:TQ172.6 0 引言 随着近年来环保政策愈发严格,水泥行业氮氧化物超低排放也紧随火电及钢铁等行业进入国家和地方标准体系中,国内的水泥行业SCR脱硝技术起步较晚,但因其较高的脱硝效率,而受到广泛关注。SCR 脱硝反应器内流场的运动状态影响其脱硝效率、阻力及氨逃逸等多个运行参数,对于脱硝反应器的稳定运行尤为关键。计算流体动力学(CFD)技术可实现气流流态的可视化,因其成本低、用时短等优势在流体运动规律的研究中发挥了及其重要的作用。由于燃煤电厂的 SCR 技术相较于水泥窑应用更早,CFD在燃煤电厂 SCR 反应器流场
3、模拟上的研究也更加成熟和深入。众多研究者采用数值模拟方法对燃煤电厂 SCR反应器内烟气分布状态、烟气入射催化剂角度、氨浓度分布及阻力等参数进行仿真,但针对水泥窑尾 SCR反应器流场、喷氨过程及粉尘堆积的模拟研究不多。王卫群1等人利用CFD模拟计算了SCR反应器内氨浓度分布,并对部分喷氨管引入示踪气体替换原有烟气,获得每个喷氨管喷出氨气的影响范围,精确指导试验人员调节喷氨支管的阀门开度,选取最佳的喷氨流量。许肖飞2采用 fluent 软件对 SCR 反应器内流场进行模拟,在单一气相条件下,优选出了最佳格栅间距和高度,并采用 DPM 双相耦合,结合颗粒物的分布条件与单一气相进行对比发现,存在颗粒物
4、时,催化剂上的烟气均布性会稍有降低,但基本满足工程要求。马贵林3借助CFD中的DPM模型模拟了尿素在SCR反应器中的挥发状态,并对混合器、导流板及孔板进行优化,加强了氨氮混合效果,确保首层催化剂的上的氨气均匀性系数满足脱硝反应工艺要求。可见,CFD 流体力学对 SCR 反应器进行仿真模拟可以为脱硝系统内的气流分布提供重要的依据,有效减少了设计的盲目性。本文讨论了 CFD 流体仿真作为重要的流场优化手段在水泥窑尾高温高尘、高温中尘、中温中尘及高(低)温低尘 4 种脱硝技术上的应用现状及发展方向,为 SCR项目的新建或问题处理上提供了设计思路及方向。1 SCR 流场技术要求 1.1 数值模拟方法
5、CFD 数值模拟用于计算脱硝反应器内流场状态时,一般需做如下假设和简化:烟气为不可压缩的牛顿流体,烟气流动为定常流动,流体的物性参数为常数;在近壁区域采用标准壁面函数法,使用 Simple 算法进行求解。催化剂孔径很小,可采用多孔介质模型。涉及喷氨过程时,运用组分输运模型和离散相(DPM)模型模拟氨水或 NH3与烟气的混合过程。1.2 数值模拟评价指标 SCR 反应器设计及优化的评价指标有:催化剂表面流场均布、烟气入射角、氨浓度分布及系统压力损失。流场均布性越好,催化剂利用率越高;烟气入射角越小,催化剂磨损率越低;氨浓度分布越均匀,还原剂利用率越高,氨逃逸越小。由于水泥行业 SCR 技术暂无现
6、行流场模拟相关标准,目前,参考燃煤电厂 SCR脱硝反应器流场模拟设计标准,采用相对标准偏差v来表征催化剂表面速度及氨浓度均布性:1)第一层催化剂入口烟气流速偏差15;2)第一层催化剂入口氨氮摩尔比偏差10;3)第一层催化剂入口截面烟气角度最大10。2 几种水泥窑尾 SCR 技术路线 水泥窑尾 SCR 脱硝的常规技术路线分为 4 种:高温高尘、高温中尘、中温中尘、高(低)温低尘布置4,5,无论哪种布置,良好的流场均布都是系统设计及稳定运行的关键,CFD 流体仿真对 SCR 设备内的烟气流场可作出可视化预判,为流场优化提供重要依据。2.1 高温高尘 水泥窑尾高温高尘 SCR 技术直接借鉴了燃煤电厂
7、的NOX治理方式,将SCR反应器布置于预热器C1出口,如图 1 所示,出口烟气温度约 300350,此温度与SCR 反应器中多数催化剂的活性温度相匹配,高温度窗口还可以解决硫酸氢铵堵塞孔道的负面影响。但与燃煤电厂不同的是,水泥窑烟气粉尘浓度和金属氧化物含量较高,粉尘粘性大,在水泥窑尾高温高尘 SCR 设备运行过程中,极易出现催化剂堵塞、磨损、中毒、失活等问题,因此,该技术对流场均匀性要求极高。图 1 水泥窑高温 SCR 反应器布置 高温高尘反应器基本为方形设计,进口管道至反应器截面变径显著,气流均布难度大,出现催化剂覆灰不均、堵塞或磨损的风险较高。利用 CFD 技术对反应器内气流进行仿真,实现
8、可视化,对烟气烟尘的分布做出预判,并根据结果添加导流进行优化便显得尤为重要。李乐意6借助计算机仿真,对高温高尘反应塔内气体流场均匀性进行模拟,并在 SCR 入口处设置 3层导流+均布分风装置,达到了催化剂表面速度分布相对标准偏差15%,并有效降低氨水用量的效果。李祥超7也对高温高尘 SCR 反应器进行了设计与优化,减少催化剂模块上下的附属部件,降低积灰风险;采用三层整流格栅对气流进行均布,首层催化剂表面烟气入射角度均10,减少了气流和粉尘的集中效应。由文献及实验研究得出,无论使用三层导流结合均布分风装置还是三层整流格栅实现导流,其连同内部支撑等结构,会导致进口设计密度大,结构复杂,增加阻力,仍
9、有积灰风险的问题。此外,导流形式复杂,载荷过重,会对反应器进口变径处壁板造成较大负担,运行过程中存在脱落的风险。若导流布置密度较小,虽能降低积灰或脱落风险,但又难以达到气流均布偏差小于 15%和角度低于 10的标准,如图 2 所示。综上所述,高温高尘前期投资成本虽低,但后期运行过程中由于清灰难度高,易造成催化剂中毒堵塞等故障,经常发生催化剂阻力激增的问题,需更换催化剂或人工清灰等频率高,运行成本较高,且对水泥生产线的正常运行影响较大。图 2 速度流线图及催化剂表面云图 2.2 高温中尘 高温中尘是在高温高尘的基础上于 SCR 反应器前加电除尘器先进行除尘,脱除约 70%的粉尘颗粒后进行脱硝,进
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