鍋爐旁路尿素熱解制氨系統(tǒng)內(nèi)的機翼式格柵數(shù)值模擬研究

王美巧

（北京洛卡環(huán)保技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110000)

隨著脫硝環(huán)保行業(yè)對電廠超低排放的要求，行業(yè)人士提出應(yīng)用各種不同脫硝工藝來降低煙氣中氮氧化物的排放，王敦敦等人通過數(shù)值模擬研究得出，在SCR脫硝系統(tǒng)中通過安裝旁路煙道，在低負荷下顯著提高了脫硝入口的煙氣溫度，可有效避免低負荷下脫硝退出或效率下降導致的氮氧化物超標排放。畢浩生等人在旁路煙道基礎(chǔ)上，提出一種多負荷工況條件下使用的鍋爐高溫煙氣旁路直噴尿素熱解制氨技術(shù)。此技術(shù)相對于爐外尿素熱解技術(shù)，節(jié)省電能的消耗，降低脫硝成本；相對于爐內(nèi)尿素直噴技術(shù)，它解決了在鍋爐內(nèi)沒有合適的空間或沒有合適的溫度區(qū)間使用爐內(nèi)直噴尿素制氨技術(shù)這一缺陷，既不會影響鍋爐效率，也不會腐蝕受熱面。

機翼繞流屬于三維湍流流動，具有非穩(wěn)定、帶旋轉(zhuǎn)等特點，特別是機翼交接處形成的分離渦流動，它包含著豐富的流體特性和機理?；跈C翼繞流特點，將機翼式格柵運用到脫硝系統(tǒng)煙道中具有一定的研究價值。

本文提出在旁路煙道下端安裝機翼式格柵裝置，運用到某電廠150MW 鍋爐旁路尿素熱解制氨系統(tǒng)內(nèi)，進行滿負荷和50%負荷兩種工況的CFD 數(shù)值模擬計算，通過計算出的煙道內(nèi)壓力場、溫度場和氨氣濃度場來分析研究機翼式格柵內(nèi)外壓差情況，安裝機翼式格柵后主煙道內(nèi)阻力變化情況、溫度變化情況和氨濃度分布情況。

1 邊界層理論

圖1 曲壁附面層分離現(xiàn)象 (b)

附面層分離的內(nèi)因是空氣的粘性，外因是因為物體表面彎曲出現(xiàn)的逆壓梯度，圖1 曲壁附面層分離現(xiàn)象（b）Pa＞Pb＜Pc，順壓：A 到B，沿流向壓力逐漸減小，如機翼上表面前段；逆壓：B 到C，沿流向壓力逐漸增加，如機翼上表面后段。

從邊界層理論得出，翼型屬于曲面就會有邊界層的分離，翼型屬于流線型的物體，其特點在于其分離點相對于其他形狀物體靠后，其形狀阻力相對于其他物體小。 翼型由前端層流過渡到翼型尾部紊流區(qū)的轉(zhuǎn)折點稱為轉(zhuǎn)捩點，在轉(zhuǎn)捩點處壓力最小，是翼型表面負壓最大的地方，在此處設(shè)計噴氨口，有利于機翼內(nèi)外形成較大的壓差，使旁路煙氣順利通過機翼格柵。翼型尾部紊流區(qū)由于渦旋的存在，為從噴氨格柵出來的氨氣與煙氣的混合提供良好的條件。

2 幾何模型與邊界條件

2.1 幾何模型

為簡化計算和突出重點，采取旁路脫硝系統(tǒng)局部進行模擬包含機翼式格柵部分如圖2 所示。

圖2 鍋爐旁路尿素熱解制氨系統(tǒng)

圖3 的三維幾何模型中， 單側(cè)進口煙道截面尺寸12000×7450mm， 旁路煙道截面尺寸為6000×800mm，由旁路煙道分成6 路翼型柱體通入主煙道中，每個翼型柱體上開有左右對稱共18 個小正方形旁路煙氣出口，小正方形尺寸為100×100mm，在每個翼型柱體下方開有1 個正方形100×100mm 的漏灰孔。單側(cè)旁路煙道配有6 支噴槍，每個噴槍上有2 個噴頭。

圖3 三維幾何模型

2.2 邊界條件(表1）

表1 滿負荷、50%負荷工況邊界條件

3 計算結(jié)果與分析

3.1 滿負荷工況的計算結(jié)果與分析

（1）壓力數(shù)值圖（圖4、5）。從機翼壓力數(shù)值圖看，機翼轉(zhuǎn)捩點處最低壓力-660Pa，機翼內(nèi)外平均壓差約為360Pa。機翼對主煙道內(nèi)形成的阻力平均約 120Pa。

圖4 煙道縱截面壓力數(shù)值圖

圖5 煙道水平截面壓力數(shù)值圖

（2）溫度云圖（圖6、7）。由于旁路煙道內(nèi)的噴射尿素量很小，尿素熱解后的煙溫變化很小，可以忽略不計。而從旁路引入到主煙道的高溫煙氣與經(jīng)過省煤器冷卻后的煙氣混合，煙溫有所升高，平均煙溫升高為660K-650K=10K。

圖6 煙道縱截面溫度云圖（K）

圖7 煙道水平截面溫度云圖(K)

（3）氨濃度云圖（圖8、9）。滿負荷情況下，機翼的均勻布置和機翼尾部的渦旋共同作用，可以使氨氣與煙氣充分混合，整個煙道截面的氨濃度能夠很好的覆蓋，機翼后方氨分布十分均勻，最終在煙道出口處氨濃度標準偏差為1.2%。

圖8 煙道縱截面氨濃度云圖

圖9 煙道水平截面氨濃度云圖

3.2 50%負荷工況計算結(jié)果與分析

（1）壓力數(shù)值圖（圖10 和圖11）。從機翼壓力數(shù)值圖看，機翼轉(zhuǎn)捩點處最低壓力-380Pa，機翼內(nèi)外平均壓差約為50Pa。機翼對主煙道內(nèi)形成的阻力平均約20Pa。

圖10 煙道縱截面壓力 數(shù)值圖(pa)

圖11 煙道水平截面壓力 數(shù)值圖（Pa）

（2）溫度云圖（圖12、13）。由于旁路煙道內(nèi)的噴射尿素量很小，尿素熱解后的煙溫變化很小，可以忽略不計。而從旁路引入到主煙道的高溫煙氣與經(jīng)過省煤器冷卻后的煙氣混合，煙溫有所升高，平均煙溫升高為593K-579K=14K。

圖12 煙道縱截面溫度云圖（K）

圖13 煙道水平截面溫度 云圖（K）

（3）氨濃度云圖（圖14 和圖15）。50%負荷情況下，機翼后方氨分布比較均勻，最終在煙道出口處氨濃度標準偏差為4.8%。

圖14 煙道縱截面氨濃度云圖

圖15 煙道水平截面氨濃度云圖

4 結(jié)語

從翼型的邊界層理論可知，翼型屬于流線型的物體，其形狀阻力相對于其他物體阻力?。辉谝硇娃D(zhuǎn)捩處負壓值較大，這可以形成較大吸力將氨氣順利噴出；翼型尾部的渦旋可以使氨氣與煙氣充分擾動混合，減小氨逃逸率。總之，將機翼式格柵運用到脫硝系統(tǒng)煙道中，對改善氨逃逸和提高脫硝效率有著極其重要的意義，如表2。

表2 滿負荷、50%負荷機翼格柵參數(shù)結(jié)果