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(qiáng)通過數(shù)值模擬優(yōu)化了SCR反應(yīng)器內(nèi)流場。NISCHT等采用數(shù)值模擬與冷態(tài)實(shí)驗(yàn)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(yīng)器后部流場和壓力場的影響。劉小波等對SCR反應(yīng)器建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，通過在數(shù)值模擬中添加導(dǎo)流板優(yōu)化流場，驗(yàn)證優(yōu)化方案的合理性。朱天宇等利用計算流體動力學(xué)方法優(yōu)化了SCR反應(yīng)器內(nèi)的煙氣流速、壓力和濃度分布。JIANG等對SCR反應(yīng)器流場和濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過優(yōu)化導(dǎo)流板設(shè)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(fù)雜，濕度大，燃煤廠SCR技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵廠需要根據(jù)煙氣狀況和煙道形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。其中最需要解決的問題就是燒結(jié)煙氣溫度低，達(dá)不到SCR的最佳反應(yīng)溫度區(qū)。工業(yè)上一般對燒結(jié)煙進(jìn)行補(bǔ)熱，將煙氣溫度提高到催化劑反應(yīng)溫度區(qū)。

將焦?fàn)t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?fàn)t煙氣橫向射流失靈混熱方法解決燒結(jié)煙氣補(bǔ)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(jìn)行數(shù)值模擬優(yōu)化，并對優(yōu)化方案進(jìn)行工程驗(yàn)證。

1數(shù)值模擬方法

1.1計算模型

某鋼廠600m2燒結(jié)機(jī)增設(shè)的煙氣SCR脫硝系統(tǒng)，燒結(jié)煙氣經(jīng)過噴射裝置、導(dǎo)流板、整流器等設(shè)備后，進(jìn)入SCR反應(yīng)器，NOx在催化劑表面被NH3還原為N2后，到達(dá)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(dá)到以下指標(biāo):

1)在設(shè)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(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)不超過±15%

b)煙進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)不超過5%。

標(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)是SCR反應(yīng)器內(nèi)各截面處參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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?fàn)t煙氣噴射裝置、干擾裝置、導(dǎo)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(xué)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(shí)現(xiàn)。采用Standardk-冷凍模型模擬顛簸流動。選擇成分運(yùn)輸模型計算煙氣成分和氨在煙氣中的運(yùn)輸和擴(kuò)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(shè)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(jìn)行簡化。

煙氣參數(shù)見表1。將燒結(jié)煙氣入口、高溫焦?fàn)t煙氣入口設(shè)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?fàn)t排煙出口溫度分布見圖4。

圖4高溫焦?fàn)t煙氣出口溫度分布

從圖4可以看出，通過高溫焦?fàn)t煙氣提高燒結(jié)煙氣溫度，高溫焦?fàn)t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(jìn)入噴進(jìn)入噴口時可以認(rèn)為溫度分布均勻。增設(shè)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(yīng)提供了適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

2.2無導(dǎo)流板時流場模擬

無導(dǎo)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(dǎo)流板時縱向截面煙氣速度分布

由圖6可見，無導(dǎo)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(dǎo)流板時SCR反應(yīng)器第一層催化劑入口速度分布見圖7a，速度標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)流板后流場模擬

優(yōu)化設(shè)計的導(dǎo)流板包括煙道彎頭的2塊彎頭和反應(yīng)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(dǎo)到干擾層上，減少速度的不均勻。

導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)流板后縱截面排煙速度分布

優(yōu)化導(dǎo)流板后SCR反應(yīng)器第一層催化劑入口速度分布見圖9a，速度標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)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(yàn)證

基于數(shù)值模擬的優(yōu)化結(jié)果，對某鋼廠燒結(jié)機(jī)組的SCR系統(tǒng)進(jìn)行流場優(yōu)化運(yùn)行，各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測值見表2。從表2可以看出，每個指標(biāo)的實(shí)測值都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)值。

表2各項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)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?fàn)t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(yīng)提供了適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

b)燒結(jié)煙再熱脫硝裝置煙道內(nèi)無導(dǎo)流板時，SCR反應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)器主體入口處添加導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)偏差系數(shù)降至4.11%，均達(dá)到技術(shù)要求。

c)SCR反應(yīng)器脫硝率為82.6%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)行提供了保障。