一种SCR脱硝装置变径烟道导流板设计方法

摘要

本发明提供了一种SCR脱硝装置变径烟道导流板设计方法，该方法通过设置导流板对流经变径烟道的烟气进行分割，所述导流板安装在SCR脱硝装置的水平变径烟道内部，导流板在变径烟道中改变飞灰颗粒的运动方向，避免飞灰颗粒发生局部富集；根据变径烟道的长度、入口宽度、出口宽度，进一步确定变径烟道内部导流板结构参数和安装位置；所述导流板结构参数包括：导流板数量n、导流板长度L、导流板间距d及导流板与变径烟道入口横截面夹角θ。本发明能在满足烟气速度分布均匀度的同时改善飞灰颗粒分布的均匀度，从而避免飞灰颗粒在催化层局部富集及其对催化剂的冲蚀损伤。

说明书

技术领域

本发明涉及一种旨在调理飞灰颗粒分布的SCR脱硝装置变径烟道导流板设计方 法，属于火电环保技术领域。

背景技术

烟气脱硝方法包括选择性催化还原（SCR-Selective Catalytic Reduction）技术、选择 性非催化还原（SNCR）技术、SNCR/SCR联合烟气脱硝技术、液体吸收法等。在现有 的火电烟气脱硝方法中，SCR脱硝以其脱硝效率高、选择性好、运行温度低等优点成为 应用最为广泛的烟气净化技术。选择性催化还原法的主要原理是利用氨气（NH₃）和氮 氧化物（NO_x）在V₂O₅/WO₃/TiO₂或V₂O₅/MoO₃/TiO₂组成的催化剂的作用下进行的氧化 还原反应，生成氮气（N₂）和水（H₂O），从而脱除烟气中有害的NOx。SCR脱硝装置 的导流板用于调节烟气速度场和还原剂浓度场，以控制催化剂入口处烟气速度分布和还 原剂（氨气）浓度分布尽可能均匀，如通常以第一层催化剂入口平面的烟气速度分布相 对标准差来衡量烟气速度分布的均匀度，并要求该指标小于15%。

然而，对发生催化剂破损事故的脱硝装置分析表明，当烟气飞灰含量较高时，即使 烟气速度分布均匀度满足设计要求，烟气中不均匀分布的飞灰颗粒的局部富集也会导致 催化剂结构损伤，严重降低了催化剂的使用寿命。因此，对于高灰分机组，设计导流板 时不仅要考虑速度分布均匀度，还要考虑飞灰颗粒分散控制问题。具体来说，由于飞灰 颗粒密度远高于烟气，在流动情况下具有比烟气更大的惯性。当飞灰颗粒运动至变径烟 道时通常难以快速改变运动方向，从而在烟气离开变径烟道后，飞灰颗粒出现富集现象， 后延至催化层时，对局部催化剂高烈度冲蚀的可能性就增大了。通过对变径烟道导流板 进行合理设计可以消除飞灰颗粒的这一富集现象，达到催化剂延寿的目的。

工程实践中用来控制烟气速度分布均匀度的导流板通常是半径为R（R≈600mm）弧 度为π/2的弧形结构，并且在弧的两端沿切线方向接100-300mm的延长直板。对现有的 技术文献检索后发现，毛剑宏、宋浩、吴卫红等在《浙江大学学报（工学版）》（2011 年45卷6期）发表了“电站锅炉SCR脱硝系统导流板的设计与优化”。该文对脱硝装置 内的导流板设计方案进行了分析与研究，并对导流板位置、角度进行了优化，从而改善 了催化剂入口处烟气速度与氨气浓度分布均匀度。然而该文并未针对装置内部的飞灰颗 粒分布情况进行分析研究，相应的导流板设计也未考虑此因素。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种SCR脱硝装置变径烟道导流 板设计方法，该方法在脱硝装置烟气速度分布均匀度满足设计要求的前提下提高催化剂 入口处的飞灰颗粒分布均匀度，以使催化剂免遭局部过度冲蚀，提高催化剂使用寿命。

为实现以上目的，本发明提供一种SCR脱硝装置变径烟道导流板设计方法，该方 法通过设置导流板对流经变径烟道的烟气进行分割，所述导流板安装在SCR脱硝装置 的水平变径烟道内部，该导流板在变径烟道中改变飞灰颗粒的运动方向，避免飞灰颗粒 发生局部富集。

优选地，所述导流板的结构参数，包括：导流板数量n、导流板长度L、导流板间 距d、导流板与变径烟道入口横截面夹角θ，这些参数根据变径烟道的长度、入口宽度、 出口宽度通过CFD（计算流体动力学）仿真寻优得到。

优选地，所述导流板对变径烟道进行分割，是指：当导流板个数为n时，将弯道 划分为（n+1）个通道，每个通道入口的宽度为d_i（i=1,2,…,n+1），即导流板迎风侧端点 之间的两两间距。

优选地，所述导流板与变径烟道烟道入口截面夹角θ是各导流板所在平面与变径烟 道入口横截面的夹角。

优选地，所述变径烟道为水平或竖直烟道中起衔接作用的、入口与出口宽度不相 等、中心轴线不重合的过渡烟道。

优选地，所述导流板为直板结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明能够在烟气速度分布满足设计要求的前提下提高催化层入口平面飞灰颗粒 分布的均匀度，同时对烟气速度分布也有改善效果，从而避免飞灰颗粒在催化层局部富 集及其对催化剂的冲蚀损伤，具有延长SCR脱硝系统催化剂寿命、提高脱硝效率的作 用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明SCR脱硝装置结构及变径烟道示意图；

图中：1为第一直弯，2为第二直弯导流板，3为第三直弯导流板，4为省煤器，5 为SCR反应器，6为喷氨格栅、混合格栅，7为变径烟道导流板；

图2为本发明变径烟道导流板尺寸示意图；

图3为未加装变径烟道导流板时，催化层入口平面示踪飞灰颗粒分布图；

图4为加装变径烟道导流板后，催化层入口平面示踪飞灰颗粒分布图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

本实施例提供一种用于飞灰颗粒均匀度调理的SCR脱硝装置变径烟道导流板设计 方法，通过设置导流板对流经变径烟道的烟气进行分割，导流板在变径烟道中改变飞灰 颗粒的运动方向，避免飞灰颗粒发生局部富集；根据变径烟道的长度、入口宽度、出口 宽度，进一步确定变径烟道内部导流板结构参数和安装位置。

如图1所示，为某燃煤机组SCR脱硝装置结构及变径烟道示意图，1为第一直弯，2 为第二直弯导流板，3为第三直弯导流板，4为省煤器，5为SCR反应器，6为喷氨格栅、 混合格栅，7为变径烟道导流板；其中省煤器4和第一直弯1之间的水平烟道上有一段变 径烟道，该变径烟道采用本发明所设计的导流板即变径烟道导流板7，而其余各直弯烟 道处均采用工程常用的弧度为π/2的弧形导流板；其中：

变径烟道导流板长度为L_i（i=1,2）。

变径烟道入口和出口宽度分别为D₁、D₂，长度为S，导流板片数为n（n≥1），导流 板所分割出的烟道各部分宽度为d_i（i=1,2,3，…），各导流板与变径烟道入口横截面夹 角为θ_i（i=1,2，…）尺寸标注如图2所示。

上述参数n、L_i、d_i、θ_i通过CFD（计算流体动力学）仿真寻优得到，其中：

n=2；

D₁=10200mm，D₂=11880mm，S=2600mm；

L₁=1870mm，L₂=1870mm；

d₁=3675mm，d₂=3900mm，d₃=2625mm；

θ₁=43°，θ₂=40°。

本实施例中，省煤器入口烟气速度16m/s，喷氨速度77m/s，烟气出口静压力-1500Pa， 温度设定为650K，催化层入口平面尺寸为10.70m x12.20m，计130.54m²。CFD仿真使用 Fluent6.3.26软件，装置各弯道位置使用工程常用的导流板设计方案。

图1中SCR反应器含两层，采用蜂窝状催化剂，烟气进入SCR反应器的入口平面为矩 形。

图3为未加装变径烟道导流板时，催化层入口平面示踪飞灰颗粒分布图俯视，左侧 为近锅炉侧，烟气流动方向由读者指向纸面，SCR反应器入口烟道尺寸为：左右向 10.70m，前后向12.20m.

在水平烟道梯形变径处未加装导流板时，催化剂入口平面烟气速度分布相对标准差 为12.4%。而该位置加装导流板后，相应的烟气速度分布相对标准差降为10.4%，以上两 种情况下烟气速度分布相对标准差均优于设计标准（<15%），满足速度分布均匀度的要 求。但从颗粒分布的角度来看，在梯形变径处未加装导流板时，催化剂上表面的示踪飞 灰颗粒在催化剂层左侧存在明显的富集现象（如图3所示）；而在催化层中央区域，颗粒 分布则十分稀疏。进一步的统计数据表明，在催化剂入口平面左侧2m的矩形条带内（矩 形条带为图3左边界到虚线间的区域，面积为2m x12.2m=24.40m²，占入口平面总面积的 18.69%），示踪颗粒密度为14.3个/m²，远高于入口平面示踪颗粒平均密度（6.4个/m²）。 这样，该矩形条带区域的催化剂将受到更为强烈的飞灰冲蚀，很可能缩短催化剂的使用 寿命。在变径烟道处安装针对颗粒分布的导流板后，相应截面的示踪颗粒分布情况如图 4所示，左侧矩形条带的示踪颗粒密度降低为6.9个/m²，接近平均密度，示踪颗粒富集 现象消失，而示踪颗粒在SCR反应器入口平面的总体分布明显趋于均匀，尤其是图3中 央区域的颗粒稀疏现象消失。

可见，在变径烟道使用本发明技术可以使催化层入口处的飞灰颗粒分布均匀度得到 提升，消除颗粒在催化层入口处的局部富集现象，从而避免飞灰颗粒分布不均导致的局 部催化层过度磨损冲蚀，起到催化剂延寿的作用。同时，本发明技术还在一定程度上提 高了烟气通过催化层的速度分布均匀度，有利于提高脱硝效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本发明的实质内容。