溫度梯度對(duì)還原劑溶液霧化蒸發(fā)的影響

倪海波，梁 平，劉學(xué)炎，李澤清，葛棟杰

（浙江天藍(lán)環(huán)保技術(shù)股份有限公司，杭州 311202）

SNCR（選擇性非催化還原法）是指無(wú)催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑將煙氣中的NOx還原為氮?dú)夂退５蜏厍闆r下，反應(yīng)速度很慢，造成大量的氨逃逸；高溫情況下，氨氧化生成附加的NOx。研究發(fā)現(xiàn)，還原劑噴入的合理溫度區(qū)域?yàn)?50～1 100℃。

SNCR中的化學(xué)反應(yīng)屬于快速反應(yīng)，其制約因素主要是混合狀況[1]。煙道內(nèi)的溫度梯度對(duì)還原劑射流和混合情況有較大影響。

本文以Fluent軟件為平臺(tái)，通過(guò)適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)循環(huán)流化床鍋爐中SNCR系統(tǒng)噴射的液滴與煙氣的混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬。基于模擬的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，筆者提出設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)模擬結(jié)果分析有無(wú)熱源條件下煙道溫度場(chǎng)對(duì)混合的影響。

1 物理模型

研究對(duì)象為1 100 t/h的循環(huán)流化床，煙氣量1 000 000 Nm3/h。SNCR系統(tǒng)布置在爐膛出口煙道上，煙道出口截面1 785 mm×7 800 mm，網(wǎng)格數(shù)282萬(wàn)。

圖1 物理模型

由于本文只模擬混合，不考慮化學(xué)反應(yīng)，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，忽略煙氣組分的影響，將煙氣簡(jiǎn)化為空氣，模擬液滴與空氣的混合效果。本文研究對(duì)象是爐膛出口煙道，簡(jiǎn)化輻射傳熱和爐膛內(nèi)的燃燒過(guò)程，爐膛下部設(shè)置體熱源，將煙氣加熱到爐膛出口煙溫，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 湍流模型

本文對(duì)煙氣流態(tài)的模擬采用RNG k-ε雙方程模型。該模型相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，在ε方程中加了一個(gè)條件，有效改善了模型的精度，并且考慮了湍流的漩渦，對(duì)于有旋流的模擬比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更精確。

2.2 傳熱模型

爐膛出口煙道的主要傳熱方式有對(duì)流換熱和熱輻射。煙氣在煙道內(nèi)的停留時(shí)間較短，煙道內(nèi)壁面的防磨層較厚（300～350 mm），換熱量很小。所以，計(jì)算過(guò)程中將煙道壁面作為絕熱面處理。煙道內(nèi)的溫度場(chǎng)主要由爐膛內(nèi)的換熱產(chǎn)生[2]。

2.3 離散模型

在拉格朗日坐標(biāo)下模擬液滴在空氣中的運(yùn)動(dòng)，計(jì)算顆粒的軌跡以及有顆粒引起的熱量/質(zhì)量傳遞。對(duì)于顆粒的湍流擴(kuò)散采用隨機(jī)軌道模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 溫度分布

圖2給出鍋爐內(nèi)不同部位的煙氣溫度。由圖2可知，該截面的溫度范圍是1 100～1 180 K，爐膛出口煙道的溫度場(chǎng)存在溫度梯度，平均溫度約為1 150 K，符合脫硝的溫度區(qū)間。

圖2 有熱源，鍋爐截面溫度分布

圖3 為該鍋爐運(yùn)行的系統(tǒng)圖，爐膛上部的溫度為901.6～958.2℃，比模擬的溫度略高。由于本文的研究對(duì)象是爐膛出口煙道，所以用熱源代替燃燒得到的煙道內(nèi)溫度場(chǎng)具有一定的可行性。

圖3 鍋爐運(yùn)行中的系統(tǒng)局部圖

3.2 流動(dòng)曲線和特性

圖4 給出了鍋爐和分離器內(nèi)煙氣流動(dòng)跡線，圖中不同的顏色表示速度大小。由圖4可知，煙氣在煙道內(nèi)流速為25.6～28.8 m/s。

圖4 煙氣流動(dòng)跡線

圖5 煙道出口截面矢量圖

圖5顯示了煙道出口截面的矢量分布，除了主流方向X方向，煙氣沿Y、Z方向均有分速度，該截面存在二次流。

3.3 噴槍布置

在SNCR系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)噴射位置最需要考慮的就是要在正確的溫度區(qū)間內(nèi)獲得足夠的停留時(shí)間，同時(shí)使還原劑和煙氣之間具有較好的混合。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果、煙道的結(jié)構(gòu)尺寸和噴槍的性能，噴槍布置在水平煙道上，每個(gè)煙道配10個(gè)噴槍噴射點(diǎn)，內(nèi)外側(cè)各5個(gè)，進(jìn)行交叉布置，對(duì)噴混合。

噴射方式采用solid-cone類型，霧化角60°。粒徑分布服從Rosin-Rammler分布，粒徑范圍0.10～0.15 mm，平均0.13 mm，噴射速度30 m/s。

3.4 還原劑流動(dòng)軌跡和濃度分布

圖6顯示了布置熱源的情況下，煙道出口處截面的還原劑濃度分布。還原劑射流受二次流擾動(dòng)，產(chǎn)生向上或向下的偏移，如圖7所示，所以截面的還原劑擴(kuò)散區(qū)域也會(huì)隨之偏移。

圖6 有熱源，煙道出口截面濃度分布

圖7 有熱源，還原劑流動(dòng)軌跡

在不布置熱源的情況下，入口邊界的溫度直接設(shè)置為爐膛出口煙溫，溫度場(chǎng)均勻，計(jì)算得到的還原劑射流和擴(kuò)散區(qū)域均比較整齊，如圖8、圖9所示。

圖8 無(wú)熱源，煙道出口截面濃度分布

圖9 無(wú)熱源，還原劑流動(dòng)軌跡

4 結(jié)論

通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果可以看到，煙道的溫度不僅僅影響還原劑的反應(yīng)，溫度梯度的存在，對(duì)還原劑的混合也有較大的影響。溫差產(chǎn)生的自然對(duì)流會(huì)形成徑向流動(dòng)，從而形成二次流，對(duì)流場(chǎng)有擾動(dòng)作用。溫度場(chǎng)越均勻，二次流越小，對(duì)還原劑射流的擾動(dòng)也越小，還原劑在煙道內(nèi)的擴(kuò)散區(qū)域會(huì)比較整齊。