SCR脱硝反应器物理场特性研究与结构优化设计

SCR脱硝反应器物理场特性研究与结构优化设计

石军

南京东大能源工程设计院有限公司 江苏南京 210000

摘要：现如今，燃煤电站应用选择性催化还原方法（Selective Catalytic Reduction，SCR）烟气脱硝技术有着高效率、技术成熟的优势，已经成为国内外的主流技术手段。文章将围绕SCR脱硝反应器物理场特性展开分析，以期为业内研究人士提供重要的参考依据。

关键词：SCR脱硝反应器；物理场特性；结构优化

在SCR脱硝反应器物理场特性研究中，需要对其目的加以明确，而主要目的就是为了强化效果。基于此，进一步研究SCR脱硝反应器物理场的结构优化设计环节，以便保障结构优化设计的质量效果。

1. SCR脱硝反应器的基本概况

我国电站所应用的SCR烟气脱硝技术手段，经常表现出，中低负荷下SCR脱硝反应器入口烟温小于SCR催化剂最佳反应温度情况，在严重情况下，会出现小于正常反应温度的情况，以至于SCR脱硝反应器运作效率低下，对余热锅炉脱硝效率、氮氧化合物排放浓度以及氨逃逸概率造成不利影响^[1]。为此，应该基于不对余热锅炉运作带来影响的基础上，使SCR反应效率进一步提升，使其保持良好的活性，确保原SCR脱硝反应器系统装置稳定运作。

2. SCR脱硝反应器物理场模拟系统的设计优化

氮氧化合物对于人体有着强烈的危害性，还是引发光化学烟雾与酸雨的根本原因，然而，大气氮氧化物污染物的实际来源渠道是电站锅炉燃煤排放。根据相关政策的颁布，我国对于火电厂氮氧化合物排放提出更高的要求标准。当下，对于控制氮氧化合物排放主要应用燃烧控制与烟气脱硝两种方法，而非选择性催化还原方法与选择性催化还原方法是目前烟气脱硝的重要方式。由于选择性脱硝技术的脱硝率较为显著，且运作安全可靠，所以在国内外大型燃烧机组烟气脱硝中选择性脱硝技术的应用十分普遍^[2]。但是，现阶段许多大型燃烧机组存在由于喷氨控制效果不佳，使SCR脱硝反应器内流场分布并不均衡，催化剂层入口位置氨气、氮氧化合物混合不充分等，容易导致喷氨过量或氨逃逸现象发生。氨泄漏不仅会影响电厂的经济收益，还会加快催化剂老化效率，催化剂积灰，使催化面积缩小，以至于空气预热器出现结渣情况，容易增加安全事故的发生概率。

在现实工艺之中，SCR脱硝反应器设备一般装置于锅炉省煤器出口和空气预热器入口中间，以便符合反应温度的基本要求。通过将已经稀释的氨气固定于氨喷射格栅喷嘴装置上，能达到均匀喷入烟气的效果，使其和烟气相互混合之后，共同进入填充含有催化剂的SCR脱硝反应器之中。氮氧化合物和氨气受催化剂的影响，选择性地和烟气中氮氧化合物产生化学反应，把氮氧化合物转变成没有害的氮气和水蒸气，达到脱硝的效果。

1. 烟风道环节的优化设计

为了保证SCR脱硝反应器模型的流场压降、速度、浓度分布和原型反应装置具有相似性，应根据几何相似性的基本原则，将原型反应装置根据10:1的比例设置。SCR脱硝系统之中，气体流动以管内流动为主，需根据粘滞力相似原则，确保原型和模型的雷诺数相一致，通过选择空气作为模拟烟气载体，以便明确有关物理量。

SCR脱硝反应器模型系统烟道应用钢材和透明有机玻璃构成的板块化结构，运用法兰连接模式，为观察流场带来便利，同时还能结合试验研究和优化设计的根本需求，使SCR脱硝反应器模型系统的总体结构、局部结构以及内部系统的结构模式、设计形式进行调整^[3]。该SCR脱硝反应器模型系统出口设计xgf-6.5-Ⅱ引风机设备能够为通道提供充足的流场动力和负压，从而达到模拟原型反应器设备环境的目的。

（二）导流板环节的优化设计

脱硝率和氨逃逸概率作为评估SCR脱硝性的主要指标，其在一定程度上影响着进入催化剂层以前氮氧化合物与氨气混合浓度、速度分布的均匀度。在实际情况下，为了提高烟气和氨气的混合效果，需要在SCR脱硝系统烟道之中，装设均流设备，即导流板。该系统装置共应用三级导流板，其中，第一级设计于烟道入口处；第二级设计在左上部位置；第三级设计在右上部位置。这些导流板的结构行线、设计部位、各级导流板数目等都根据试验研究和优化设计的实际要求加以调整。

（三）整流格栅与催化剂层的优化设计

催化剂进口前部的整流设备，应用均布多孔网格，确保氨气和氮气混合后的烟气与氨均匀喷射至催化剂之上，提高脱硝概率，减少氨逃逸率。催化剂层利用铝合金条材质，做支撑网格，应用多孔网格多层迭加平铺模式，对多孔网格数量进行调整，使其达到减少阻力作用影响的目的。

4. 给灰系统的优化设计

因脱硝催化剂活性对温度有着较高的要求，SCR脱硝反应器设计在省煤器装置和空气预热器中间比较适中。此区域为高含尘区域，烟气中所含的灰分不会对SCR脱硝反应器和催化剂层带来不利影响，但当烟气流速比较低的情况下，容易是催化剂层出现堵塞问题。这就需要展开灰分沉降测试，飞灰可应用滑石粉或原子煤粉锅炉的飞灰，在风机出口位置，装置除尘袋，便于将排出的飞灰及时收集。

2. SCR脱硝反应器物理场特性模拟试验分析

以某地区电厂的火电机组（2×600MW）脱硝系统为例，使其在BMCR、75%THA以及50%THA3情况下，应用高清摄像头对模拟氨气与飞灰模型的分布情况进行拍摄。该模拟系统装置中，风道水平环节与第一层、第二次催化剂前速度分布较为均匀，而水平环节速度标准差达到11.48%-13.88%，第一层催化剂前速度标准差达到13.78%-13.88%，第二次催化剂前速度分布标准差即13.58%-13.88%，均不超过14.00%。此模拟系统装置当中第一层与第二层催化剂前二氧化碳浓度分布比较均匀，第一层催化剂前浓度分布标准差达到3.30%-4.40%，第二层催化剂前浓度分布标准差达到3.51%-4.67%，二氧化碳浓度分布标准差低于5.00%，可见分布较为均匀，利用二氧化碳模拟氨气满足该试验的基本要求。在BMCR情况下，实施飞灰分布特性测试。飞灰在风道中与催化剂层分布较为均衡，表明该模拟系统结合数值模拟结果所明确的模型外形、大小尺寸、各个调节挡板的装置部位与几何尺寸不存在异常情况。基于50%THA情况下，实施流场可视化测试，发现风道中空气分布十分规律，能进一步对定量测试进行验证分析。试验结果证明，气流装置于风道内部，分布情况较为均匀，通过整流格栅之后，有着显著的垂直效果，能符合设计与实际运作要求。

结束语：

综上所述，在SCR脱硝反应器物理场特性研究中，需要明确研究重点与难点，通过分析SCR脱硝反应器物理场特性的基本内容与优化设计措施，可为相关业内设计工作者提供重要的参考依据，以此证明SCR脱硝反应器的可行性价值。

参考文献：

[1] 秦玉波.SCR脱硝反应器数值模拟及导流板结构优化[J].科技创新导报,2019,498(30):92-96.

[2] 王朝阳,陈鸿伟,程凯,等.双变截面SCR脱硝系统速度场及浓度场优化研究[J].动力工程学报,2019,293(05):41-47.

[3] 肖承武,焦力刚,鲁志军,等.基于AMESim的SCR脱硝系统仿真分析研究[J].东北电力技术,2020,041(004):1-5.