溫度梯度對還原劑溶液霧化蒸發(fā)的影響

倪海波，梁 平，劉學炎，李澤清，葛棟杰

（浙江天藍環(huán)保技術股份有限公司，杭州 311202）

SNCR（選擇性非催化還原法）是指無催化劑的作用下，在適合脫硝反應的“溫度窗口”內噴入還原劑將煙氣中的NOx還原為氮氣和水。低溫情況下，反應速度很慢，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)域為850～1 100℃。

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

本文以Fluent軟件為平臺，通過適當?shù)暮喕?，對循環(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行數(shù)值模擬?；谀M的溫度場和速度場分布，筆者提出設計方案，并根據(jù)模擬結果分析有無熱源條件下煙道溫度場對混合的影響。

1 物理模型

研究對象為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。

圖1 物理模型

由于本文只模擬混合，不考慮化學反應，為了計算簡便，忽略煙氣組分的影響，將煙氣簡化為空氣，模擬液滴與空氣的混合效果。本文研究對象是爐膛出口煙道，簡化輻射傳熱和爐膛內的燃燒過程，爐膛下部設置體熱源，將煙氣加熱到爐膛出口煙溫，從而簡化計算。

2 數(shù)學模型

2.1 湍流模型

本文對煙氣流態(tài)的模擬采用RNG k-ε雙方程模型。該模型相對于標準k-ε模型，在ε方程中加了一個條件，有效改善了模型的精度，并且考慮了湍流的漩渦，對于有旋流的模擬比標準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流換熱和熱輻射。煙氣在煙道內的停留時間較短，煙道內壁面的防磨層較厚（300～350 mm），換熱量很小。所以，計算過程中將煙道壁面作為絕熱面處理。煙道內的溫度場主要由爐膛內的換熱產生[2]。

2.3 離散模型

在拉格朗日坐標下模擬液滴在空氣中的運動，計算顆粒的軌跡以及有顆粒引起的熱量/質量傳遞。對于顆粒的湍流擴散采用隨機軌道模型。

3 結果與分析

3.1 溫度分布

圖2給出鍋爐內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。由于本文的研究對象是爐膛出口煙道，所以用熱源代替燃燒得到的煙道內溫度場具有一定的可行性。

圖3 鍋爐運行中的系統(tǒng)局部圖

3.2 流動曲線和特性

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

圖4 煙氣流動跡線

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，設計噴射位置最需要考慮的就是要在正確的溫度區(qū)間內獲得足夠的停留時間，同時使還原劑和煙氣之間具有較好的混合。

結合上述計算結果、煙道的結構尺寸和噴槍的性能，噴槍布置在水平煙道上，每個煙道配10個噴槍噴射點，內外側各5個，進行交叉布置，對噴混合。

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，產生向上或向下的偏移，如圖7所示，所以截面的還原劑擴散區(qū)域也會隨之偏移。

圖6 有熱源，煙道出口截面濃度分布

圖7 有熱源，還原劑流動軌跡

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

圖8 無熱源，煙道出口截面濃度分布

圖9 無熱源，還原劑流動軌跡

4 結論

通過上述計算結果可以看到，煙道的溫度不僅僅影響還原劑的反應，溫度梯度的存在，對還原劑的混合也有較大的影響。溫差產生的自然對流會形成徑向流動，從而形成二次流，對流場有擾動作用。溫度場越均勻，二次流越小，對還原劑射流的擾動也越小，還原劑在煙道內的擴散區(qū)域會比較整齊。