一種SCR脫硝系統煙道流場均勻化裝置的製作方法

2024-04-04 00:10:05 1

本實用新型涉及一種SCR脫硝系統煙道流場均勻化裝置，屬於燃煤機組汙染物排放控制技術領域。

背景技術：

選擇性催化還原(Selective Catalyst Reduction，SCR)技術是當前國內外主流的煙氣脫硝技術，基於還原劑(液氨/尿素/氨水)與煙氣中氮氧化物(NOx)在催化劑層的化學反應，實現煙氣中NOx的有效脫除。

SCR煙氣脫硝反應是一種氣固非均相催化反應，其反應過程包括反應物在催化劑表面的擴散、吸附、反應及生成物的脫附等步驟，涉及到了外傳質、內傳質過程及表面的化學反應過程。因此，催化劑層合理的空間速度對於保證SCR脫硝反應的高效進行具有關鍵作用。

研究表明，SCR脫硝催化劑層較低的空速，可以保證反應物在催化劑層較長的停留時間，停留時間越長，則擴散過程就越完全，脫硝效率相對較高；反之，催化劑層過高的空速會導致煙氣中的反應物來不及擴散即被排出，直接導致氨逃逸等不良問題，不利於脫硝反應的順利進行，此時為保證達標的脫硝效率，需大幅增加脫硝催化劑用量，這會顯著增加電廠方的投資成本。因此，實際應用中需保證SCR脫硝催化劑的空間速度在合理的範圍之內，進而使得脫硝效率達到最高、催化劑用量最低。

SCR脫硝系統在現場設計施工時，往往因為現場布置空間等因素的限制而不得已採用減縮或漸擴等煙道設計方法，同時SCR脫硝系統自身會有較多的轉彎結構設計等，這些都不利於煙道內煙氣的均勻流動，將直接導致煙氣局部流動速度過高/過低、產生漩渦及回流等問題，進而導致SCR脫硝催化劑層的空間速度波動範圍較大，不利於脫硝反應的順利進行。同時，系統內過高的煙氣流速會造成SCR脫硝催化劑的磨損失活等。

技術實現要素：

為有效解決燃煤機組SCR脫硝系統內流場分布的不均勻性，本實用新型提供了一種SCR脫硝系統煙道流場均勻化裝置，能夠有效降低首層催化劑入口截面的速度分布偏差，並保證催化劑層的空間速度分布均在合理的設計範圍之內，可有效提升SCR脫硝系統的脫硝性能，解決SCR脫硝催化劑磨損失活、氨逃逸偏高、下遊設備受損等一系列問題。

為實現上述目的，本實用新型採取的具體技方案是：

一種SCR脫硝系統煙道流場均勻化裝置，包括：

以等距放射狀布置於SCR脫硝系統的噴氨格柵AIG下遊煙道轉角處至少三片弧-直型導流板；

以漸縮方式布置於SCR脫硝系統的反應器上部斜切煙道內至少三片直-弧-直型導流板和至少一片直-弧型導流板。

進一步地，每片所述弧-直型導流板包括一弧形段導流板和一直段導流板，所述直段導流板沿所述弧形段導流板的切向與弧形段導流板連接。

進一步地，所述弧形段導流板所對圓心角度為85-105°，優選90°，弧形段半徑介於1000mm～2000mm之間；所述直段導流板長度不超過500mm。

進一步地，所述弧-直型導流板的布置間距不小於700mm。

進一步地，每片所述直-弧-直型導流板包括依次切向連接的一前直段、一長弧形段及一後直段；所述直-弧型導流板包括依次切向連接的一直段及一短弧形段。

進一步地，所述長弧形段所對應圓心角度介於10°～90°之間，半徑介於500mm～3000mm之間，前直段及後直段的長度不超過1000mm。

進一步地，所述短弧形段所對應圓心角度介於10°～90°之間，半徑介於500mm～1500mm之間，所述直段長度不超過500mm。

進一步地，所述直-弧型導流板布置於三片所述直-弧-直型導流板的下方。

進一步地，相鄰的兩片直-弧-直型導流板之間及位於最下方的直-弧-直型導流板與所述直-弧型導流板之間的垂直方向最小間距不小於400mm。

與傳統的SCR脫硝系統流場均勻化工藝相比，本實用新型具有的有益效果：

現有SCR脫硝系統煙道內導流部件布置簡單，缺乏經過系統的研究與驗證，部分機組甚至無導流部件優化布置，這直接導致煙道內煙氣流場分布均勻性較差，不利於脫硝反應的高效進行。本實用新型所公開的一種SCR脫硝系統斜切式煙道流場均勻化方法，提出了三片弧-直型導流板及四片直-弧-直型導流板流場優化布置方案，並基於設計正交試驗的方法及對象機組SCR脫硝系統實際的運行參數系統解析獲得導流部件的最佳特徵參數，如弧形段弧度及半徑、延長段長度。該方法系統性強、針對性強，可有效改善SCR脫硝系統斜切式煙道內的流場均勻性，顯著降低首層催化劑入口截面的速度分布偏差，保證催化劑層的空間速度分布均在合理的設計範圍之內，進而有效提升SCR脫硝系統的脫硝性能，解決SCR脫硝催化劑磨損失活、氨逃逸偏高、下遊設備受損等一系列問題。

附圖說明

圖1為一SCR脫硝系統採用傳統導流方式的結構布置圖。

圖2為本實用新型一實施例中的SCR脫硝系統煙道流場均勻化方法及裝置的結構布置圖。

圖3a、圖3b、圖3c、圖3d及圖3e為本實用新型一實施例中SCR脫硝系統煙道流場均勻化方法及裝置中各規格導流板的結構尺寸圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型進行詳細說明，本實施案例在以本技術方案為前提下進行實施，應當理解實施案例是為了說明本實用新型，但是本實用新型的保護範圍不局限於所述的實施案例。

本實施案例針對某電廠660MW超臨界燃煤發電機組進行SCR脫硝系統流場均勻化調整。該機組SCR脫硝系統採用傳統的導流方式，其結構布置方案如圖1所示，左側煙道轉角布置兩篇導流板11、21及右側煙道轉角處布置兩片導流板31、41。

首先，根據SCR脫硝系統具體規格進行模擬計算，建模布置方式參考圖2，其中包括：噴氨格柵前煙氣來流1、噴氨格柵2、AIG混合管3、左側煙道轉角處導流板組(包含三片弧-直型導流板：導流板12、導流板22和導流板32)4、右側煙道轉角處導流板組5(包含三片直-弧-直型導流板和一片直-弧型導流板：導流板42、導流板52、導流板62和導流板42)、斜切煙道頂面6、整流格柵7、SCR脫硝催化劑層8、SCR脫硝催化劑層後煙氣去流9。

先在左側布置如圖2所示的導流班組4，右側煙道轉角處無導流板優化布置設計工況下的數值模擬研究。

左側煙道轉角處弧-直型導流板具有等距、等弧度、等半徑、等延長等特徵，並通過設計正交試驗獲得各特徵參數最佳取值，以SCR脫硝系統首層催化劑入口截面的速度分布偏差為評價指標；

右側煙道轉角處布置四片直-弧-直型導流板，左側煙道轉角處布置已獲得最佳特徵參數修正的三片弧-直型導流板設計工況下的數值模擬研究。

右側煙道轉角處直-弧-直型導流板具有漸縮、非等弧度、非等半徑、非均勻延長等特徵，並通過設計正交試驗獲得各特徵參數最佳取值，以SCR脫硝系統首層催化劑入口截面的速度分布偏差為評價指標。

通過數值模擬計算，獲得SCR脫硝系統煙道流場均勻化方法和裝置的適合布置方式及尺寸參數範圍。

其中，方法包括以下步驟：

在SCR脫硝系統噴氨格柵AIG下遊煙道轉角處以等距放射狀布置至少三片弧-直型導流板；

在SCR脫硝系統的反應器上部斜切煙道內漸縮布置至少三片直-弧-直型導流板和至少一片直-弧型導流板。

每片所述弧-直型導流板包括一弧形段導流板和一直段導流板，所述直段導流板沿所述弧形段導流板的切向與弧形段導流板連接。

所述弧形段導流板所對圓心角度為85-105°，優選90°，弧形段半徑介於1000mm～2000mm之間；所述直段導流板長度不超過500mm。

所述弧直型導流板的布置間距不小於700mm。

每片所述直-弧-直型導流板包括依次切向連接的一前直段、一長弧形段及一後直段；所述直-弧型導流板包括依次切向連接的一直段及一短弧形段。

所述長弧形段所對應圓心角度介於10°～90°之間，半徑介於500mm～3000mm之間，前直段及後直段的長度不超過1000mm。

所述短弧形段所對應圓心角度介於10°～90°之間，半徑介於500mm～1500mm之間，所述直段長度不超過500mm。

所述直-弧型導流板布置於三片所述直-弧-直型導流板的下方。

相鄰的兩片直-弧-直型導流板之間及位於最下方的直-弧-直型導流板與所述直-弧型導流板之間的垂直方向最小間距不小於400mm。

裝置包括：

以等距放射狀布置於SCR脫硝系統的噴氨格柵AIG下遊煙道轉角處至少三片弧-直型導流板；

以漸縮方式布置於SCR脫硝系統的反應器上部斜切煙道內至少三片直-弧-直型導流板和至少一片直-弧型導流板。

基於本實施例提供的SCR脫硝系統斜切式煙道流場均勻化方法及裝置，根據具體SCR脫硝系統結構獲取適應該具體SCR脫硝系統結構的最佳具體參數的實施步驟如下：

1)左側煙道轉角處(即噴氨格柵AIG下遊轉彎處)布置三片弧-直型導流板

首先認為所布置三片弧-直型導流板圓弧段弧度設定為90°，且為等距布置，隨後研究圓弧段半徑、延長段長度這兩個因素對系統內流場分布均勻性改善的影響規律。本實用新型的實施例中圓弧段半徑設計750mm、1000mm、1250mm、1500mm計4個水平，延長段長度設計100mm、200mm、300mm、400mm計4個水平，選用L1645正交表設計二因素四水平正交試驗，如表1所示。

表1左側煙道轉角處最佳特徵參數確定正交試驗設計表

基於CFD數值模擬計算得到試驗10設計工況下SCR脫硝系統首層催化劑入口截面內的速度分布偏差最低。於是可以認為左側煙道轉角處所布置三片弧-直型導流板的最佳布置參數為：等距布置、圓弧段弧度為90°、圓弧段直徑均為1250mm、延長段長度均為200mm，其具體結構尺寸如圖3a所示。

2)右側煙道轉角處(即整流格柵上遊轉彎處)布置三片直-弧-直型導流板和一片直-弧型導流板

左側煙道轉角處布置已獲得最佳特徵參數修正的三片弧-直型導流板設計工況下繼續開展數值模擬研究。系統地研究圓弧段半徑組合方式、圓弧段弧度組合方式、漸縮布置組合方式、前端延長段長度組合方式、後端延長段長度組合方式這五個因素對系統內流場分布均勻性改善的影響規律。

本實用新型的具體實施案例中五個研究因素分別設計有不同的水平數，其中：圓弧段半徑組合方式共設計1-[600,1500,1500,2000]、2-[700,1800,1800,2400]兩個水平；圓弧段弧度組合方式共設計1-[50°,10°,10°,5°]、2-[55°,15°,15°,10°]、3-[60°,20°,20°,15°]三個水平；漸縮布置組合方式共設計1-[750,650,550,475,475]、2-[800,700,600,400,400]兩個水平；前端延長段長度組合方式共設計1-[100,500,500,700]、2-[200,600,600,800]兩個水平；後端延長段長度組合方式共設計1-[0,700,900,900]、2-[0,800,1000,1000]兩個水平。選用L12(3×24)混合正交表設計正交試驗，如表2所示。

表2右側煙道轉角處最佳特徵參數確定正交試驗設計表

基於CFD數值模擬計算得到試驗9設計工況下SCR脫硝系統首層催化劑入口截面內的速度分布偏差最低。於是可以認為右側煙道轉角處所布置四片四片直-弧-直型導流板的最佳布置參數為3-1-2-1-2，各導流板的具體結構尺寸如圖3b、圖3c、圖3d及圖3e所示。

綜上所述，基於上述實施例描述的SCR脫硝系統斜切式煙道流場均勻化方法及裝置，根據對象機組SCR脫硝系統實際的運行參數等，本實施案例中順利解析獲得了導流部件的最佳特徵參數，得到了有效針對對象機組SCR脫硝系統的導流部件優化布置方法。基於本實用新型方法SCR脫硝系統流場優化前後均勻性分布特性如表3所示。

表3具體實施案例中流場優化前後分布特性對比表

可以看出，優化前後首層催化劑入口截面的速度分布偏差顯著降低約35.77％，系統內的流場分布均勻性大幅改善，基於CFD數值模擬方法所得SCR脫硝系統首層催化劑入口截面內的 速度分布雲圖也可以直觀的反應出這一趨勢。

通過本實施案例可以說明，本實用新型所公開的一種SCR脫硝系統斜切式煙道流場均勻化方法，可有效改善SCR脫硝系統斜切式煙道內的流場均勻性，顯著降低首層催化劑入口截面內的速度分布偏差，進而保證催化劑層的空間速度分布均在合理的設計範圍之內，這對於有效提升SCR脫硝系統的脫硝性能、解決SCR脫硝催化劑磨損失活、氨逃逸偏高、下遊設備受損等一系列問題均具有重要的指導意義。

據此，在不改變SCR脫硝系統自身結構的前提下，通過在煙道內優化布置合理的導流部件，可實現煙道內煙氣流場的均勻分布，這可以顯著改善其內部空間速度分布的不均勻性，使得SCR脫硝催化劑層任意空間位置的空間速度分布均在合理的設計範圍之內，減輕脫硝催化劑的磨損失活等，這有利於SCR煙氣脫硝系統的高效經濟安全運行。

因此，本實用新型在基於上述研究背景及基礎理論的支撐提出了一種SCR脫硝系統斜切式煙道流場均勻化方法，該方法能夠有效改善SCR脫硝系統斜切式煙道內的流場均勻性，顯著降低首層催化劑入口截面的速度分布偏差，保證催化劑層的空間速度分布均在合理的設計範圍之內，進而有效提升SCR脫硝系統的脫硝性能，解決SCR脫硝催化劑磨損失活、氨逃逸偏高、下遊設備受損等一系列問題。

如上所述，儘管結合具體實施案例及附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但其不得解釋為對本實用新型自身的限制。在本實用新型的技術方案的基礎上，任何單位和個人不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或者變形仍在本實用新型的保護範圍以內。