论文总字数：25057字

摘 要

随着我国越来越重视对环境的保护，对工业生产过程中污染物排放的标准提出了更加严格的要求。火电厂的烟气是我国大气污染物的主要排放源之一，目前所采用的烟气处理技术已经达不到国家标准，所以要尽快改进目前的技术，或者研究新型高效的烟气处理技术。

本次模拟研究主要针对某300MW机组SCR系统氨混烟道结构，采用涡流混合器形式的氨混合机构，借助计算流体力学（CFD）数值模拟手段，通过优化氨混系统的结构，研究混合器直径、偏角角度、喷口出口速度等与系统速度偏差、氨混合效果（浓度偏差）之间的关系，为涡流型氨混机构的设计提供指导与建议。本文首对模拟对象建模，网格数量约为40~50万个。然后设计了三组对比实验来研究烟道内的混合情况。通过模拟得出当涡流混合器的直径为1800mm，偏角角度为30°，喷氨管直径为100mm时，速度偏差为34.71%，氨氮比偏差为22%，系统压降为280.73Pa，达到了本次研究中最好的氨混效果。同时总结了一部分涡流混合器结构参数变化对氨混效果的影响规律。

关键词：涡流混合器 氨混效果 SCR脱硝 计算流体力学

Structure and Performance Optimization of Vortex Type Ammonia Mixing System of SCR Denitration System

Abstract

As my country pays more and more attention to the protection of the environment, stricter requirements are imposed on the standards for pollutant discharge during industrial production. The flue gas of thermal power plants is one of the main emission sources of atmospheric pollutants in China. The current flue gas treatment technology has not reached the national standard, so it is necessary to improve the current technology as soon as possible, or research new and efficient flue gas treatment technology .

This simulation study mainly aimed at the structure of the ammonia mixing flue of the SCR system of a 300MW unit, using an ammonia mixing mechanism in the form of a vortex mixer, and by means of CFD numerical simulation methods, by optimizing the structure of the ammonia mixing system, the mixer diameter , Declination angle, nozzle outlet speed, etc. and system speed deviation, ammonia mixing effect (concentration deviation), provide guidance and suggestions for the design of vortex type ammonia mixing mechanism. This article first introduces the research background and software, and then models the simulated objects. The number of grids is about 400,000 to 500,000. Then three sets of comparative experiments were designed to study the mixing in the flue. Through simulation, when the diameter of the vortex mixer is 1800mm, the declination angle is 30°, and the diameter of the ammonia injection pipe is 100mm,the speed deviation is 34.71%, the ammonia-nitrogen ratio deviation is 22%, and the system pressure drop is 280.73Pa, the best ammonia mixing effect in this experiment is achieved. At the same time, it summarizes the influence of some vortex mixer structural parameters on the effect of ammonia mixing.

Key Words:Vortex mixer;Ammonia mixing;SCR denitration;Computational Fluid Dynamics

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 我国氮氧化物排放现状 1

1.1.2 NO_X排放控制技术 2

1.1.3 SCR脱硝技术 4

1.2 国内外研究现状 8

第二章 方程及工具 9

2.1气体流场控制方程 9

2.2 流场计算软件 10

第三章 模型建立及网格划分 11

3.1 建立模型 11

3.1.1原型描述 11

3.1.2 设计参数 12

3.1.3 建立模型 12

3.2 网格划分 13

第四章 数值模拟及结果分析 16

4.1设计参数及边界条件 16

4.1.1设计参数 16

4.1.2边界条件 16

4.2模拟结果分析 18

4.2.1第一组对比分析 18

4.2.2结构优化1（混合器偏角角度） 27

4.2.3结构优化2（喷氨喷口直径） 32

4.3结论 38

第五章 总结与展望 39

绪论

研究背景

1.1.1 我国氮氧化物排放现状

经过几十年的努力，我国现已是全球第二大经济体，并且经济继续平稳、快速发展。但是我国的发展长期依赖于第二工业，而第二工业的基础在于能源和各类资源。巨大的第二产业产能意味着对能源的巨大消耗，据《中国能源发展报告2020》，2019全年能源消费总量48.6亿吨标准煤，比上年增长3.3%；煤炭消费量占能源消费总量的57.7%，比上年下降1.5个百分点^[1]。可以看出，目前为止我国的能源消费结构到依然是以煤炭为主。几十年以来，电厂燃煤排放的烟气中的各类污染物对我国的环境造成了巨大的破坏，给经济的可持续发展埋下了隐患。在国家提出又好又快发展以后，人们对环境的保护越加重视，随着SO₂排放控制技术与措施的大力推广与严格实施，我国SO₂的排放增长趋势得到逐步的控制^[2]。然而，我国氮氧化物的排放却在迅速增长，并且近年来我国已经成为世界氮氧化物排放量第一的国家，我们在减少SO₂排放方面获得的社会经济效益被抵消，控制NO_X的排放刻不容缓。NO_X是造成酸雨的主要原因，氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，随着降雨和降尘从空气中落到地面^[3]，对环境和建筑造成很大的破坏，而且NO_X也是造成近年来愈发严重的雾霾天气的罪魁祸首，这些污染性天气对人们的生活和身心健康危害很大。因此氮氧化物污染已经成为制约我国经济发展的主要因素之一。

我国的氮氧化物排放大约有65%来自于燃煤排放的烟气，而我国燃煤排放最多的产业是火力发电厂，这已经成为氮氧化物最大的固定排放源。因此对火力发电厂进行燃煤排放的控制是解决我国氮氧化物排放过多的关键之一。

图1.1火电厂

煤炭在燃烧过程中生成NOx，按照生成机理的不同可以将NO_X分为三大类^[4][5][6]，分别为：热力型、燃料型、快速型。

表1.1三类NOx的生成机理

1.1.2 NO_X排放控制技术

目前NO_X排放控制技术主要有以下两大类：低NO_X燃烧技术、烟气脱硝技术^[7]。其中低NO_X燃烧技术是在煤炭燃烧前和燃烧时采取一定的措施，同过降低煤炭中生成NO_X的物质的含量以及燃烧时减少NO_X的生成，来达到对NO_X排放的控制，是一种从源头上解决这一问题的方法。但是由于这一技术的局限性，对于NO_X的去除率有限。而相比较来说，虽然在成本方面烟气脱硝技术比较高，但是因为它对烟气的NO_X脱除效率高，能够很好地适应各种大中小燃煤设备，因此受到广泛关注。

烟气脱硝技术按照脱硝环境可分为三种；干法^[8]、半干法和湿法^[9]。其中干法主要包括选择性催化剂还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、电子束脱硝法，半干法有活性炭联合脱硫脱硝法，湿法有臭氧氧化吸收法等^[10]。

1、选择性非催化还原技术（SNCR）

选择性非催化还原法与普通的干、湿法脱硝不一样，它的反应不需要催化剂^[11]，在一定的温度范围内（850-1100℃）就能直接和NO_x快速发生化学反应，从而除去氮氧化物的方法。最常使用的原料是氨或者尿素。一般来说，SNCR脱硝在不同规模的机组应用时，它的脱硝率差别较大。由于SNCR脱硝在不同规模的机组应用时，它的脱硝率差别较大，所以多用作低氮燃烧技术后续的更彻底的脱硝技术。对于老厂房来说，由于工程造价低、占地面积小，可以考虑使用这一技术进行设备的升级，新厂可以根据锅炉设计配合使用^[12]。

2、选择性催化还原技术（SCR）

SCR 是最成熟的烟气脱硝技术, 它是一种燃烧后的脱硝技术^[13]，主要在省煤器之后的烟道内对烟气进行脱硝处理。SCR反应器布置主要有两种方式^[14]：一种是高尘布置，另一种是低尘布置。最早由日本于上世纪中期完成商业运行, 在催化剂层内氨气或者尿素, 选择性地与NOx反应生成N₂和H₂O, 而不是被O₂氧化, 故称为“选择性”^[15]。

图1.2 SCR工艺图

优点：该法脱硝效率高，而且布置简单，原料的来源广泛、价格便宜，在各种工程中 都得到了广泛应用，在目前的各个大中小火电站大多数都使用了这一脱硝技术。

目前氨混系统主要有静态混合器^[16]、喷氨格栅形式^[17]、涡流混合器^[18]三大类，Zhigong Lei^[19]等人总结了这三种氨混结构的特征。静态混合器根据系统的要求沿烟道截面布置几个或十几个喷嘴，且喷嘴直径较大；喷氨格栅是在烟道中布置相互垂直的管子若干根，在每根管子上有许多喷口，管的流量可以根据系统的需求进行单独调整；涡流混合器则是利用喷嘴在烟道内让氨和烟气形成涡流。其中涡流混合器有两个优点^[20]，其一是可以使得氨气与烟气更好的混合，其二是可以让流场更加均匀。

3、电子束脱硝（EBA）

EBA是国际先进的烟气处理技术之一，其原理是利用高能电子加速器产生的电子束（500～800 kv）辐照处理烟气，将烟气中的二氧化硫和氮氧化物转化为硫酸铵和硝酸铵^[21]。

目前而言干法脱硝占主流地位，因为NO_X与SO₂相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；经还原后NO_X会生成N₂和O₂，反应后的副产品，便于处理；NH₃对烟气中的NO可选择性吸收，是良好的还原剂^[22]。相比之下，湿法不仅装置复杂庞大而且副产品不好处理，电耗大（特别是臭氧法）。而在干法脱硝中，由于SCR的脱硝效率在技术上几乎没有上限，只是从性价比上考虑，国外一般性能保证值为90%。SCR在催化剂的作用下，部分SO₂会转化成SO₃，而SNCR技术不会对SO₂的转化产生影响^[23]。1975年日本Shimoneski电厂建立了第一个SCR系统的示范工程，脱硝效果显著。迄今为止在欧美国家、中国已得到大范围的推广使用^[24]。

1.1.3 SCR脱硝技术

SCR技术是还原剂（NH₃、尿素）在催化剂作用下，选择性的与NO_X反应生成N₂和O₂，而不是被O₂所氧化，故称为“选择性”，这个化学反应对反应温度有一定要求^[25]，即在280~420℃范围内。其主要的反应公式如下：

(1)

(2)

脱硝反应后的产物可以从上式中看出是N₂和水，可以自然排放，不需要进行专门的处理和存放，省去了后期处理的费用。反应原理如下图所示：

图1.3 SCR反应原理图

SCR脱硝装置主要由氨气供应储存系统、稀释空气系统、烟道系统、氨喷射系统、SCR反应器、催化剂层、吹灰装置等组成，有水平和垂直气流两种不同方式。在燃煤锅炉中，烟气的飞灰含量很高，一般采用垂直气流方式^[26]。

目前主要有三种SCR反应器的布置方式^[27][28][29]：高飞灰段布置、低飞灰段布置以及尾部烟气段布置。

表1.2三种SCR反应器布置方式

在SCR脱硝反应中，影响脱硝效率的主要因素有烟气温度、催化剂参数（活性温度、节距、孔隙率等）及反应器流场分布等。其中当催化剂各项性能参数与反应器布置方式得以确定的前提下，要想实现脱硝效率的进一步提高以及NH₃逃逸率的降低，很大程度上取决于反应器内（尤其第一层催化剂前）的烟气气动流场均匀性是否良好，而本文重点正在于此，主要影响因素包括^[31]：

（1）速度分布均匀性

在火电厂的运行过程中，产生的烟气并不是刚出来就直接进入脱硝的过程，由于受火电厂设备的放置、管道的安装及其他方面的限制，畑气要经过较长的一个过程才能进入反应器内进行脱硝反应，其由于烟气经过的管道及设备比较多，会在这一过程中损失较多的动能，等到达反应器的时候烟气的速度可能不足以让氨气和它充分混合。若烟气速度较高，烟气中夹带的粉尘等颗粒物会对催化剂层造成严重的破坏，还会导致此区域催化反应时间短、氨逃逸率高等现象的产生；而烟气速度太小又会造成催化剂严重的积灰、堵塞，并且催化剂的利用率会急剧下降，催化剂效率和经济性同样会降低。与此同时，如果喷氨系统入口的烟气速度分布不均还会严重影响喷氨掺混效果，造成烟气与氨的混合较差。因此，在设计SCR系统烟道时，必须要保证烟气在脱硝烟道内（尤其喷氨系统入口及催化剂入口）具有良好的烟气速度分布，才能确保喷氨混合部件和催化剂能在最佳环境下工作^[32]。

（2）NH₃/NOx分布均匀性

氨气与氮氧化物的混合均匀性是评判一个SCR脱硝系统是否合格的决定性依据。NO在烟气中占据了90%以上的含量，因此可近似认为理想状态下的最佳NH₃/NO摩尔比值为1，当催化剂入口混合气中的NH₃/NO值较小时，NO脱除的不充分，催化剂的利用率降低，脱硝效率下降，排放烟气中的NO浓度较高；而当NH₃/NO值较大时，系统喷氨较多，导致氨逃逸率増大，不仅会对环境造成二次污染，而且多余的NH₃会与烟气中的硫氧化物发生副反应生成硫酸氢氨或硫酸铵，并沉积在催化剂微小通道中，造成堵塞现象，同时也会对催化剂活性产生较大影响，因此，更良好的喷氨掺混结构，能够使SCR脱硝烟道催化剂入口氨与烟气的混合最大程度均匀，进而得以保证反应器具有高脱硝率以及低氨逃逸率的这两个优点^[33]。

喷氨装置作为SCR法脱硝装置的核心部分之一, 直接影响脱硝效率及烟气系统阻力, 从而影响脱硝系统的运行成本，目前, 用于SCR法脱硝的喷氨装置主要有涡流混合器、喷氨静态混合器、喷氨格栅^[34]。本文主要对喷氨装置的涡流混合器进行模拟分析，得出不同的混合器布置形式对氨气与氮氧化物混合的影响。

相对于其他两种混合器，涡流混合器具有结构形式简单、建设成本低、运行维护成本适中、负荷适应性强的优点，但是它要求的混合距离比较长，而且又是利用涡流来进行混合阻力较大。

图1.4 SCR脱硝装置图

1.1.4涡流混合器

涡流是流体在流动的过程中受到阻力的影响，部分流体流动速度或者流动方向发生改变，在流场中形成了流体环流，流体环流的流动是不规则的，并且环流会不断的吸收外围的流体进入环流中，将环流内的流体“甩”出去。由于环流的这种流动特性，当有两股不同的流体产生涡流时，可以促进两种流体的混合。在生产生活中许多方面都应用到了涡流效应。如：汽油机的进气流动和油气混合、降低柴油机混合器浓度和碳烟排放、漏斗式涡流反应器在水处理中的应用等等。同样，在火电厂烟道的SCR脱硝系统中，我们同样可以设置涡流混合器，让烟气在烟道内形成涡流，从而促使氨空混合气与烟气的混合。目前主流的涡流混合型SCR脱硝设备都是采用了圆盘形的混合器形式。

图1.5涡流盘结构

国内外研究现状

田原润等人对某1000MW机组锅炉SCR烟气脱硝系统进行数值模拟，并根据模拟结果对氨喷射系统进行结构优化。通过对脱硝系统的流场分布情况进行分析，设置了双排涡流混合器，并通过分区式驻涡喷氨装置，分区控制烟道的喷氨情况，改善喷氨不均的情况，从而提高脱硝效率，降低氨逃逸量，优化后 SCR反应器出口NO_X分布偏差大幅降低^[35]。

陈文瑞^[36]等人对烟道内涡流混合器部分容易积灰堵塞的情况进行分析，建立κ-ε湍流模型，模拟该区域的温度场。发现可以通过增加烟道内氨气喷管的长度，防止液体物质的生成，从而解决积灰堵塞的情况。

滕农^[37]等人对SCR脱硝系统的性能进行了实验分析，建议可以通过将两种氨混机构结合的方式，并优化导流装置，让烟气在通过涡流混合器之后，再经过混合格栅以实现还原剂与NO_X较好的混合。

Sh. A. Piralishvili^[38]等人介绍了用于低排放燃烧室的燃料-空气混合物的初步准备的喷射装置的研究结果。数值模拟了混合物的形成过程，进行了氧化剂与气体燃料混合的实验研究，得出了出口段混合气浓度分布的特征相关性。

Mubashshir A. Ansari^[39]等人描述了一种微混合器的新颖设计，该混合器在切向对齐的入口通道的矩形微通道中产生涡流。与简单的T混合器相比，即使在低雷诺数下，该混合器仍会形成混合诱导流。最初在矩形微通道入口处形成的涡流通过拉伸而增加了流体的流动面积。所提出的涡旋混合器易于制造，并且基于雷诺数为涡流的产生提供了可调节的控制。

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