董建勛等利用數(shù)值模擬研究氨濃度分布對脫硝效率和氨逃脫的影響。湯圓強通過數(shù)值模擬優(yōu)化了SCR反應器內(nèi)流場。NISCHT等采用數(shù)值模擬與冷態(tài)實驗相結(jié)合的方法，分析了入口煙氣流速、溫度和氨氮比等對SCR反應器后部流場和壓力場的影響。劉小波等對SCR反應器建立相應的數(shù)學模型，通過在數(shù)值模擬中添加導流板優(yōu)化流場，驗證優(yōu)化方案的合理性。朱天宇等利用計算流體動力學方法優(yōu)化了SCR反應器內(nèi)的煙氣流速、壓力和濃度分布。JIANG等對SCR反應器流場和濃度場進行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化導流板設計，降低煙氣流速偏差和氨濃度偏差。SCR技術(shù)因其高效的脫硝效率成為燒結(jié)煙氣脫硝的優(yōu)先技術(shù)。

但由于鋼鐵廠燒結(jié)煙氣溫度低，粉塵含量高，成分復雜，濕度大，燃煤廠SCR技術(shù)應用于鋼鐵廠需要根據(jù)煙氣狀況和煙道形狀進行優(yōu)化設計。其中最需要解決的問題就是燒結(jié)煙氣溫度低，達不到SCR的最佳反應溫度區(qū)。工業(yè)上一般對燒結(jié)煙進行補熱，將煙氣溫度提高到催化劑反應溫度區(qū)。

將焦爐煙直接通過燒結(jié)煙，燒結(jié)煙的溫度和流速分布不均勻，影響SCR的脫硝效率。ZHOU等利用高溫焦爐煙氣橫向射流失靈混熱方法解決燒結(jié)煙氣補熱問題。本工作利用FLUENT軟件對某鋼廠燒結(jié)煙氣SCR脫硝系統(tǒng)進行數(shù)值模擬優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進行工程驗證。

1數(shù)值模擬方法

1.1計算模型

某鋼廠600m2燒結(jié)機增設的煙氣SCR脫硝系統(tǒng)，燒結(jié)煙氣經(jīng)過噴射裝置、導流板、整流器等設備后，進入SCR反應器，NOx在催化劑表面被NH3還原為N2后，到達煙氣再熱器[16]。燒結(jié)煙再熱流程見圖1。

圖1燒結(jié)煙再熱流程

要求達到以下指標:

1)在設計情況下，燒結(jié)煙再熱系統(tǒng)整體的壓降不超過1600Pa

2)第一層催化劑入口的流場分布滿足:

a)流速的標準偏差系數(shù)不超過±15%

b)煙進入催化劑層的角度(垂直方向的夾角)最大為10°

NOx與NH3摩爾比的標準偏差系數(shù)不超過5%。

標準偏差系數(shù)是SCR反應器內(nèi)各截面處參數(shù)的標準偏差占該截面參數(shù)平均值的百分比。

1.2幾何模型

計算流體動力學的模擬范圍包括煙氣再熱器入口和煙氣再熱器出口之間的煙道和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括高溫焦爐煙氣噴射裝置、干擾裝置、導流板、整流器等。燒結(jié)煙再熱脫硝系統(tǒng)幾何模型見圖2。

數(shù)值模擬中的燒結(jié)煙再熱脫硝系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3燒結(jié)煙再熱脫硝系統(tǒng)網(wǎng)格區(qū)分

會場采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和部分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。三維幾何圖形在GAMBIT軟件中建模和網(wǎng)格劃分。由于脫硝裝置整體的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，需要分塊生成網(wǎng)格，提高計算效率和精度。

1.3數(shù)學模型和界限條件

全脫硝裝置內(nèi)流場數(shù)值模擬通過流場模擬軟件FLUENT實現(xiàn)。采用Standardk-冷凍模型模擬顛簸流動。選擇成分運輸模型計算煙氣成分和氨在煙氣中的運輸和擴散。整流器和催化劑層均采用多孔介質(zhì)模型來模擬其阻流和減壓特性，對于整流器在垂直格柵方向設置較大的阻力系數(shù)，對于催化劑層采用各向同性多孔介質(zhì)模型進行簡化。

煙氣參數(shù)見表1。將燒結(jié)煙氣入口、高溫焦爐煙氣入口設置為質(zhì)量流量界限條件。噴氨入口溫度為313K，氨氣流量為112.5kg/h，稀釋空氣流量為3500m3/h。

表1排煙參數(shù)

2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1燒結(jié)排煙再熱流場模擬

高溫焦爐排煙出口溫度分布見圖4。

圖4高溫焦爐煙氣出口溫度分布

從圖4可以看出，通過高溫焦爐煙氣提高燒結(jié)煙氣溫度，高溫焦爐煙氣經(jīng)過一定距離后與燒結(jié)煙氣溫度一致。

圖5噴氨格柵入口煙氣溫度分布

噴氨格柵入口煙氣溫度分布見圖5。煙氣進入噴進入噴口時可以認為溫度分布均勻。增設燒結(jié)煙再熱系統(tǒng)后，噴射氨格柵入口的平均溫度從523K上升到553K，上升到30K，為催化層的SCR反應提供了適當?shù)臏囟取?/p>

2.2無導流板時流場模擬

無導流板時燒結(jié)煙氣再熱脫硝裝置內(nèi)縱截面速度分布見圖6。

圖6無導流板時縱向截面煙氣速度分布

由圖6可見，無導流板時，在煙道彎頭區(qū)域會出現(xiàn)明顯的速度分布不均。無導流板時SCR反應器第一層催化劑入口速度分布見圖7a，速度標準偏差系數(shù)小于10%，滿足技術(shù)要求的速度矢量分布見圖7b，入口速度最大偏差角度為12.0°，超過±10°的技術(shù)要求溫度分布見圖7c，溫度偏差為9.5K，滿足技術(shù)要求的氨體積分布見圖7d，氨分布不均勻，局部高濃度，局部催化劑中毒系統(tǒng)總壓降至1020Pa，滿足技術(shù)要求。

圖7無導流板時第一層催化劑入口的速度分布(a)、速度矢量分布(b)、溫度分布(c)和氨的體積分布(d)

2.3優(yōu)化導流板后流場模擬

優(yōu)化設計的導流板包括煙道彎頭的2塊彎頭和反應器主體入口的3塊短板。彎曲板可以有效地減少上升煙垂直方向的分量，使彎曲板流動，減少煙回流的發(fā)生，短板可以將煙引導到干擾層上，減少速度的不均勻。

導流板優(yōu)化后縱截面排煙速度分布見圖8。從圖8可以看出，導流板后，煙氣在煙道彎頭處的速度均勻性明顯提高，煙氣沒有回流。

圖8優(yōu)化導流板后縱截面排煙速度分布

優(yōu)化導流板后SCR反應器第一層催化劑入口速度分布見圖9a，速度標準偏差系數(shù)小于10%，滿足技術(shù)要求的速度矢量分布見圖9b，入口速度最大偏差角為8.2°，滿足技術(shù)要求的溫度分布見圖9c，溫度偏差為7.8K，滿足技術(shù)要求的氨的體積分布見圖9d，與沒有導流板的情況相比，均勻性明顯提高系統(tǒng)總壓降至1039Pa，滿足技術(shù)要求。

圖9優(yōu)化導流板后第一層催化劑入口的速度分布(a)、速度矢量分布(b)、溫度分布(c)和氨的體積分布(d)

3工程驗證

基于數(shù)值模擬的優(yōu)化結(jié)果，對某鋼廠燒結(jié)機組的SCR系統(tǒng)進行流場優(yōu)化運行，各指標的標準值和實測值見表2。從表2可以看出，每個指標的實測值都達到了標準值。

表2各項指標的標準值和實測值

4結(jié)論

a)利用數(shù)值模擬優(yōu)化某鋼廠燒結(jié)煙氣的SCR脫硝系統(tǒng)，將高溫焦爐煙氣噴入燒結(jié)煙氣后，噴射柵入口的平均溫度從523K上升到553K，上升到30K，為催化劑層的SCR反應提供了適當?shù)臏囟取?/p>

b)燒結(jié)煙再熱脫硝裝置煙道內(nèi)無導流板時，SCR反應器第一層催化劑入口速度最大偏角為12.0°，超過±10°的技術(shù)要求，氨與NOx摩爾比的標準偏差系數(shù)大，為6.28%，不滿足5%以下的技術(shù)要求。通過在煙道彎頭處和反應器主體入口處添加導流板，有效消除了煙道內(nèi)的回流區(qū)，第一層催化劑入口處速度最大偏轉(zhuǎn)角僅為8.2°，氨與NOx摩爾比的標準偏差系數(shù)降至4.11%，均達到技術(shù)要求。

c)SCR反應器脫硝率為82.6%，達到標準要求，數(shù)值模擬結(jié)果為燒結(jié)煙氣SCR脫硝裝置的高效能運行提供了保障。