一种SCR脱硝系统烟道流场均匀化装置的制作方法

本实用新型涉及一种SCR脱硝系统烟道流场均匀化装置，属于燃煤机组污染物排放控制技术领域。

背景技术：

选择性催化还原(Selective Catalyst Reduction，SCR)技术是当前国内外主流的烟气脱硝技术，基于还原剂(液氨/尿素/氨水)与烟气中氮氧化物(NOx)在催化剂层的化学反应，实现烟气中NOx的有效脱除。

SCR烟气脱硝反应是一种气固非均相催化反应，其反应过程包括反应物在催化剂表面的扩散、吸附、反应及生成物的脱附等步骤，涉及到了外传质、内传质过程及表面的化学反应过程。因此，催化剂层合理的空间速度对于保证SCR脱硝反应的高效进行具有关键作用。

研究表明，SCR脱硝催化剂层较低的空速，可以保证反应物在催化剂层较长的停留时间，停留时间越长，则扩散过程就越完全，脱硝效率相对较高；反之，催化剂层过高的空速会导致烟气中的反应物来不及扩散即被排出，直接导致氨逃逸等不良问题，不利于脱硝反应的顺利进行，此时为保证达标的脱硝效率，需大幅增加脱硝催化剂用量，这会显著增加电厂方的投资成本。因此，实际应用中需保证SCR脱硝催化剂的空间速度在合理的范围之内，进而使得脱硝效率达到最高、催化剂用量最低。

SCR脱硝系统在现场设计施工时，往往因为现场布置空间等因素的限制而不得已采用减缩或渐扩等烟道设计方法，同时SCR脱硝系统自身会有较多的转弯结构设计等，这些都不利于烟道内烟气的均匀流动，将直接导致烟气局部流动速度过高/过低、产生漩涡及回流等问题，进而导致SCR脱硝催化剂层的空间速度波动范围较大，不利于脱硝反应的顺利进行。同时，系统内过高的烟气流速会造成SCR脱硝催化剂的磨损失活等。

技术实现要素：

为有效解决燃煤机组SCR脱硝系统内流场分布的不均匀性，本实用新型提供了一种SCR脱硝系统烟道流场均匀化装置，能够有效降低首层催化剂入口截面的速度分布偏差，并保证催化剂层的空间速度分布均在合理的设计范围之内，可有效提升SCR脱硝系统的脱硝性能，解决SCR脱硝催化剂磨损失活、氨逃逸偏高、下游设备受损等一系列问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的具体技方案是：

一种SCR脱硝系统烟道流场均匀化装置，包括：

以等距放射状布置于SCR脱硝系统的喷氨格栅AIG下游烟道转角处至少三片弧-直型导流板；

以渐缩方式布置于SCR脱硝系统的反应器上部斜切烟道内至少三片直-弧-直型导流板和至少一片直-弧型导流板。

进一步地，每片所述弧-直型导流板包括一弧形段导流板和一直段导流板，所述直段导流板沿所述弧形段导流板的切向与弧形段导流板连接。

进一步地，所述弧形段导流板所对圆心角度为85-105°，优选90°，弧形段半径介于1000mm～2000mm之间；所述直段导流板长度不超过500mm。

进一步地，所述弧-直型导流板的布置间距不小于700mm。

进一步地，每片所述直-弧-直型导流板包括依次切向连接的一前直段、一长弧形段及一后直段；所述直-弧型导流板包括依次切向连接的一直段及一短弧形段。

进一步地，所述长弧形段所对应圆心角度介于10°～90°之间，半径介于500mm～3000mm之间，前直段及后直段的长度不超过1000mm。

进一步地，所述短弧形段所对应圆心角度介于10°～90°之间，半径介于500mm～1500mm之间，所述直段长度不超过500mm。

进一步地，所述直-弧型导流板布置于三片所述直-弧-直型导流板的下方。

进一步地，相邻的两片直-弧-直型导流板之间及位于最下方的直-弧-直型导流板与所述直-弧型导流板之间的垂直方向最小间距不小于400mm。

与传统的SCR脱硝系统流场均匀化工艺相比，本实用新型具有的有益效果：

现有SCR脱硝系统烟道内导流部件布置简单，缺乏经过系统的研究与验证，部分机组甚至无导流部件优化布置，这直接导致烟道内烟气流场分布均匀性较差，不利于脱硝反应的高效进行。本实用新型所公开的一种SCR脱硝系统斜切式烟道流场均匀化方法，提出了三片弧-直型导流板及四片直-弧-直型导流板流场优化布置方案，并基于设计正交试验的方法及对象机组SCR脱硝系统实际的运行参数系统解析获得导流部件的最佳特征参数，如弧形段弧度及半径、延长段长度。该方法系统性强、针对性强，可有效改善SCR脱硝系统斜切式烟道内的流场均匀性，显著降低首层催化剂入口截面的速度分布偏差，保证催化剂层的空间速度分布均在合理的设计范围之内，进而有效提升SCR脱硝系统的脱硝性能，解决SCR脱硝催化剂磨损失活、氨逃逸偏高、下游设备受损等一系列问题。

附图说明

图1为一SCR脱硝系统采用传统导流方式的结构布置图。

图2为本实用新型一实施例中的SCR脱硝系统烟道流场均匀化方法及装置的结构布置图。

图3a、图3b、图3c、图3d及图3e为本实用新型一实施例中SCR脱硝系统烟道流场均匀化方法及装置中各规格导流板的结构尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明，本实施案例在以本技术方案为前提下进行实施，应当理解实施案例是为了说明本实用新型，但是本实用新型的保护范围不局限于所述的实施案例。

本实施案例针对某电厂660MW超临界燃煤发电机组进行SCR脱硝系统流场均匀化调整。该机组SCR脱硝系统采用传统的导流方式，其结构布置方案如图1所示，左侧烟道转角布置两篇导流板11、21及右侧烟道转角处布置两片导流板31、41。

首先，根据SCR脱硝系统具体规格进行模拟计算，建模布置方式参考图2，其中包括：喷氨格栅前烟气来流1、喷氨格栅2、AIG混合管3、左侧烟道转角处导流板组(包含三片弧-直型导流板：导流板12、导流板22和导流板32)4、右侧烟道转角处导流板组5(包含三片直-弧-直型导流板和一片直-弧型导流板：导流板42、导流板52、导流板62和导流板42)、斜切烟道顶面6、整流格栅7、SCR脱硝催化剂层8、SCR脱硝催化剂层后烟气去流9。

先在左侧布置如图2所示的导流班组4，右侧烟道转角处无导流板优化布置设计工况下的数值模拟研究。

左侧烟道转角处弧-直型导流板具有等距、等弧度、等半径、等延长等特征，并通过设计正交试验获得各特征参数最佳取值，以SCR脱硝系统首层催化剂入口截面的速度分布偏差为评价指标；

右侧烟道转角处布置四片直-弧-直型导流板，左侧烟道转角处布置已获得最佳特征参数修正的三片弧-直型导流板设计工况下的数值模拟研究。

右侧烟道转角处直-弧-直型导流板具有渐缩、非等弧度、非等半径、非均匀延长等特征，并通过设计正交试验获得各特征参数最佳取值，以SCR脱硝系统首层催化剂入口截面的速度分布偏差为评价指标。

通过数值模拟计算，获得SCR脱硝系统烟道流场均匀化方法和装置的适合布置方式及尺寸参数范围。

其中，方法包括以下步骤：

在SCR脱硝系统喷氨格栅AIG下游烟道转角处以等距放射状布置至少三片弧-直型导流板；

在SCR脱硝系统的反应器上部斜切烟道内渐缩布置至少三片直-弧-直型导流板和至少一片直-弧型导流板。

每片所述弧-直型导流板包括一弧形段导流板和一直段导流板，所述直段导流板沿所述弧形段导流板的切向与弧形段导流板连接。

所述弧形段导流板所对圆心角度为85-105°，优选90°，弧形段半径介于1000mm～2000mm之间；所述直段导流板长度不超过500mm。

所述弧直型导流板的布置间距不小于700mm。

每片所述直-弧-直型导流板包括依次切向连接的一前直段、一长弧形段及一后直段；所述直-弧型导流板包括依次切向连接的一直段及一短弧形段。

所述长弧形段所对应圆心角度介于10°～90°之间，半径介于500mm～3000mm之间，前直段及后直段的长度不超过1000mm。

所述短弧形段所对应圆心角度介于10°～90°之间，半径介于500mm～1500mm之间，所述直段长度不超过500mm。

所述直-弧型导流板布置于三片所述直-弧-直型导流板的下方。

相邻的两片直-弧-直型导流板之间及位于最下方的直-弧-直型导流板与所述直-弧型导流板之间的垂直方向最小间距不小于400mm。

装置包括：

以等距放射状布置于SCR脱硝系统的喷氨格栅AIG下游烟道转角处至少三片弧-直型导流板；

以渐缩方式布置于SCR脱硝系统的反应器上部斜切烟道内至少三片直-弧-直型导流板和至少一片直-弧型导流板。

基于本实施例提供的SCR脱硝系统斜切式烟道流场均匀化方法及装置，根据具体SCR脱硝系统结构获取适应该具体SCR脱硝系统结构的最佳具体参数的实施步骤如下：

1)左侧烟道转角处(即喷氨格栅AIG下游转弯处)布置三片弧-直型导流板

首先认为所布置三片弧-直型导流板圆弧段弧度设定为90°，且为等距布置，随后研究圆弧段半径、延长段长度这两个因素对系统内流场分布均匀性改善的影响规律。本实用新型的实施例中圆弧段半径设计750mm、1000mm、1250mm、1500mm计4个水平，延长段长度设计100mm、200mm、300mm、400mm计4个水平，选用L₁₆4⁵正交表设计二因素四水平正交试验，如表1所示。

表1左侧烟道转角处最佳特征参数确定正交试验设计表

基于CFD数值模拟计算得到试验10设计工况下SCR脱硝系统首层催化剂入口截面内的速度分布偏差最低。于是可以认为左侧烟道转角处所布置三片弧-直型导流板的最佳布置参数为：等距布置、圆弧段弧度为90°、圆弧段直径均为1250mm、延长段长度均为200mm，其具体结构尺寸如图3a所示。

2)右侧烟道转角处(即整流格栅上游转弯处)布置三片直-弧-直型导流板和一片直-弧型导流板

左侧烟道转角处布置已获得最佳特征参数修正的三片弧-直型导流板设计工况下继续开展数值模拟研究。系统地研究圆弧段半径组合方式、圆弧段弧度组合方式、渐缩布置组合方式、前端延长段长度组合方式、后端延长段长度组合方式这五个因素对系统内流场分布均匀性改善的影响规律。

本实用新型的具体实施案例中五个研究因素分别设计有不同的水平数，其中：圆弧段半径组合方式共设计1-[600,1500,1500,2000]、2-[700,1800,1800,2400]两个水平；圆弧段弧度组合方式共设计1-[50°,10°,10°,5°]、2-[55°,15°,15°,10°]、3-[60°,20°,20°,15°]三个水平；渐缩布置组合方式共设计1-[750,650,550,475,475]、2-[800,700,600,400,400]两个水平；前端延长段长度组合方式共设计1-[100,500,500,700]、2-[200,600,600,800]两个水平；后端延长段长度组合方式共设计1-[0,700,900,900]、2-[0,800,1000,1000]两个水平。选用L₁₂(3×2⁴)混合正交表设计正交试验，如表2所示。

表2右侧烟道转角处最佳特征参数确定正交试验设计表

基于CFD数值模拟计算得到试验9设计工况下SCR脱硝系统首层催化剂入口截面内的速度分布偏差最低。于是可以认为右侧烟道转角处所布置四片四片直-弧-直型导流板的最佳布置参数为3-1-2-1-2，各导流板的具体结构尺寸如图3b、图3c、图3d及图3e所示。

综上所述，基于上述实施例描述的SCR脱硝系统斜切式烟道流场均匀化方法及装置，根据对象机组SCR脱硝系统实际的运行参数等，本实施案例中顺利解析获得了导流部件的最佳特征参数，得到了有效针对对象机组SCR脱硝系统的导流部件优化布置方法。基于本实用新型方法SCR脱硝系统流场优化前后均匀性分布特性如表3所示。

表3具体实施案例中流场优化前后分布特性对比表

可以看出，优化前后首层催化剂入口截面的速度分布偏差显著降低约35.77％，系统内的流场分布均匀性大幅改善，基于CFD数值模拟方法所得SCR脱硝系统首层催化剂入口截面内的 速度分布云图也可以直观的反应出这一趋势。

通过本实施案例可以说明，本实用新型所公开的一种SCR脱硝系统斜切式烟道流场均匀化方法，可有效改善SCR脱硝系统斜切式烟道内的流场均匀性，显著降低首层催化剂入口截面内的速度分布偏差，进而保证催化剂层的空间速度分布均在合理的设计范围之内，这对于有效提升SCR脱硝系统的脱硝性能、解决SCR脱硝催化剂磨损失活、氨逃逸偏高、下游设备受损等一系列问题均具有重要的指导意义。

据此，在不改变SCR脱硝系统自身结构的前提下，通过在烟道内优化布置合理的导流部件，可实现烟道内烟气流场的均匀分布，这可以显著改善其内部空间速度分布的不均匀性，使得SCR脱硝催化剂层任意空间位置的空间速度分布均在合理的设计范围之内，减轻脱硝催化剂的磨损失活等，这有利于SCR烟气脱硝系统的高效经济安全运行。

因此，本实用新型在基于上述研究背景及基础理论的支撑提出了一种SCR脱硝系统斜切式烟道流场均匀化方法，该方法能够有效改善SCR脱硝系统斜切式烟道内的流场均匀性，显著降低首层催化剂入口截面的速度分布偏差，保证催化剂层的空间速度分布均在合理的设计范围之内，进而有效提升SCR脱硝系统的脱硝性能，解决SCR脱硝催化剂磨损失活、氨逃逸偏高、下游设备受损等一系列问题。

如上所述，尽管结合具体实施案例及附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在本实用新型的技术方案的基础上，任何单位和个人不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或者变形仍在本实用新型的保护范围以内。