文丘里棒层在氨喷射系统中的应用与数值模拟

　  烟气流场是选择性催化还原法(SCR)脱硝系统设计的关键,目标是使烟气中的氮氧化物(NOx)和还原剂氨(NH3)达到最佳湍流混合[1]。混合系统一般由AIG装置和导流装置构成。为了控制喷氨格栅上游烟道整个横截面和反应器入口横断面气流的温度分布及烟气流速,有时需要使用静态混合器。另外,在烟气转向处安装导流板,以确保烟气流动方向正确,也是使整个SCR系统的压力损失降到最低的必要措施[2]。本文介绍了传统的AIG系统,并将其与文丘里棒层注入方式进行了对比。运用流体力学的基本理论和流体力学商业计算软件Fluent,对文丘里棒层工作段进行流场、压力降和混合效果的数值计算。

　　1　氨注入技术

目前较成熟的氨气注入方式有传统的喷氨格栅及导流板。氨喷射系统位于SCR反应器上游烟道内,其由1个给料总管和数个连接管组成。连接管给分配管供料,分配管给数个配有喷嘴的喷管供料。传统的喷射格栅氨混合器(图1)长期运行后会出现喷嘴堵塞现象,造成混合不均匀,而且系统调节复杂[3]。

　　图2为奥地利ENVIRGY公司制造的SCR氨喷射/混合系统。每个氨气喷嘴的氨气流速都可通过1个安装在供气管道上的流量调节装置来调节;为了确保氨气和烟气均匀混和,每个喷嘴的下游(沿烟气方向)都装有1个静态混合叶片[4]。

　　图3为德国费赛亚巴高科环保公司(FBE公司)的涡流混合器,其除了可优化烟气和氨混合状况,还具有减少注射孔,降低喷嘴因氨中颗粒而堵塞的概率,控制简便且调试时间短、压力损失小和节电等优点。FBE公司还采用烟气流动模型辅助设计确定了独特的平衡导流板,使脱硝塔进口烟气均匀分布[4]。

　　德国BALCKE DURR(巴克-杜尔)公司制造的三角翼静态混合器是在环形、椭圆形或三角板(板与气流呈一定角度放置)的前缘产生广延稳态的旋涡,该旋涡呈双向、圆锥形分布,转向相反,离开板后直径逐渐扩大。旋涡的强力旋转可引起大量的流体沿干流方向正常分布,因此可在干流方向上混合不同密度、温度和浓度的介质。这样,可使SCR反应器尺寸最小,并能够在最短的烟道内使NH3与烟气混合。对于实际应用,首先应充分考虑SCR反应器前端烟道的长度与布置、系统的压力损失、混合距离、投资、运行费用及安装灵活性等问题,然后选择合适的喷氨方式[5]。

　　文丘里棒层是利用文丘里效应进行氨气注入的一种方式(图4)。在烟气穿过文丘里棒层时,在棒层内侧产生负压,一定压力的氨气从负压区间注入。由于该负压区间的烟气流动速度较快,并具有较大的湍动能,故有利于氨气与烟气的混合,其优点有:(1)简化了氨注射系统;(2)采用缝隙注入,降低喷嘴堵塞概率;(3)安装方便,调试简单;(4)压力损失较小。