脫硫脫硝尾氣排放煙羽擴(kuò)散模擬研究

朱旭東（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 3158012）

脫硫脫硝尾氣排放煙羽擴(kuò)散模擬研究

朱旭東（中海石油寧波大榭石化有限公司，浙江 寧波 3158012）

隨著全社會(huì)對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量重視程度的不斷提高，石化企業(yè)紛紛加大對(duì)石油煉制過(guò)程尾氣排放的環(huán)保治理力度，對(duì)各類(lèi)鍋爐煙氣、加熱爐煙氣、催化再生煙氣實(shí)施脫硫脫硝處理已十分普遍，目前對(duì)于脫硫脫硝后排放尾氣的煙羽擴(kuò)散問(wèn)題研究較少，因環(huán)境布點(diǎn)檢測(cè)手段復(fù)雜、費(fèi)用高，關(guān)于煙羽擴(kuò)散規(guī)律方面的研究不易開(kāi)展，運(yùn)用CFD建模技術(shù)對(duì)其這一課題進(jìn)行數(shù)值化模擬分析。

脫硫脫硝尾氣;煙羽擴(kuò)散;CFD

即將于2015年7月1日?qǐng)?zhí)行的《GB31570-2015石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)現(xiàn)有和新建石油煉制企業(yè)及其生產(chǎn)設(shè)施的水、氣污染物排放限值，進(jìn)行了達(dá)標(biāo)時(shí)限和控制指標(biāo)上的明確規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于造成大氣光化學(xué)污染影響的主要污染物氮氧化物的時(shí)限排放規(guī)定限值，工藝加熱爐是150-180mg/ m3、催化裂化催化劑再生煙氣是200 mg/m3，同時(shí)對(duì)于存在國(guó)土開(kāi)發(fā)密度高、環(huán)境承載力開(kāi)始減弱、大氣環(huán)境容量較小等問(wèn)題的地區(qū)，氮氧化物的排放限值下調(diào)為100 mg/m3。

近年來(lái)中國(guó)海洋石油嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家政策法規(guī)要求，采取各種手段對(duì)于石油煉制過(guò)程中各類(lèi)污染物進(jìn)行治理，在大氣光化學(xué)污染物控制方面，主要采取煙氣脫硫脫硝、原料油深度加氫處理等技術(shù)措施，應(yīng)用普遍的是煙氣脫硫脫硝方案。隨著國(guó)家對(duì)大氣環(huán)境污染治理重視程度的提高，全社會(huì)對(duì)環(huán)境治理方面的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)于排放檢測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到國(guó)家規(guī)定限值的企業(yè)和設(shè)施，企業(yè)周邊社區(qū)也經(jīng)常從視覺(jué)可見(jiàn)性、嗅覺(jué)分辨性等感官方面提出更新的苛刻要求，目前對(duì)于經(jīng)脫硫脫硝后排放尾氣煙羽擴(kuò)散問(wèn)題方面的研究較少，主要是由于環(huán)境布點(diǎn)檢測(cè)手段復(fù)雜、費(fèi)用高，研究開(kāi)展的難度大，采取CFD方法，建立排放尾氣的模型，可以對(duì)脫硫脫硝后煙羽的擴(kuò)散性和視覺(jué)可見(jiàn)性進(jìn)行分析，簡(jiǎn)便易行。

1 研究對(duì)象

模型研究對(duì)象設(shè)定為某重油催化裂解裝置的再生煙氣脫硫脫硝設(shè)施，采用SCR+PTU組合工藝技術(shù)，尾氣滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范要求后經(jīng)仝煙囪排放，有關(guān)建立模型的基本參數(shù)見(jiàn)表1：

表1 脫硫脫硝尾氣排放煙羽模型基本數(shù)據(jù)

2 建模思路和過(guò)程

2.1 建模思路

脫硫脫硝處理后尾氣經(jīng)101m高，內(nèi)徑4m的煙囪排出，與大氣接觸后隨環(huán)境氣流擴(kuò)散，建立一400m×400m的模型空間，以滿(mǎn)足描述尾氣煙羽擴(kuò)散的包容范圍，通過(guò)CFD建模研究脫硫脫硝尾氣在此空間內(nèi)的擴(kuò)散和視覺(jué)可見(jiàn)性，計(jì)算方式采用組分輸運(yùn)（species transport）模型，建模步驟：①建立2D幾何模型；②劃分網(wǎng)格；③設(shè)置基本模型、能量方程、湍流模型；④定義組份，啟動(dòng)組份輸運(yùn)模型；⑤設(shè)置邊界條件、算法，進(jìn)行計(jì)算；⑥輸出計(jì)算云圖。

2.2 2D幾何建模

圖1 脫硫脫硝尾氣煙羽擴(kuò)散計(jì)算尺度范圍和邊界設(shè)置

圖2 煙囪排放口網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖3 脫硫脫硝尾氣煙羽一氧化氮（NO）擴(kuò)散濃度分布圖

采用Design Modeler草圖建模工具建立2D的模型計(jì)算范圍，并進(jìn)行邊界范圍設(shè)置，簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2.3 網(wǎng)格劃分

在2D幾何建模的基礎(chǔ)上，用Meshing工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本模型計(jì)算范圍空間尺度較大，模型整體采用“四邊形主導(dǎo)網(wǎng)格劃分方法（Quadrilateral Dominant）”，單元中間節(jié)點(diǎn)設(shè)置為“使用選型進(jìn)行設(shè)置（Use Global Setting）”；自由面網(wǎng)格類(lèi)型采用“四邊形/三角形方法（Quad/Tri）”，最大面域尺寸設(shè)置（Size= 1.0m），生成計(jì)算單元數(shù)量159596個(gè)。生成后的網(wǎng)格質(zhì)量方面，偏斜度（Skewness）：最大0.012692、最小1.3E-10、平均1.45E-06、標(biāo)準(zhǔn)偏差6.11E-05，滿(mǎn)足計(jì)算本題目的劃分質(zhì)量要求。煙囪排放口處的網(wǎng)格生成情況如圖2所示。

表2 速度入口邊界條件設(shè)置

2.4 計(jì)算方程設(shè)置

本模型采用Energy Equation能量方程，設(shè)Y軸Gravity重力為-9.8（m/s2）,選擇標(biāo)準(zhǔn)湍流模型Standard k-epsilon（2eqn）和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)Standard Wall Functions，考慮全浮力影響（Full Buoyancy Effects）。

2.5 組分和設(shè)定

本模型屬于氣體擴(kuò)散（SpeciesTransport）問(wèn)題，應(yīng)用meth?ane-air混合體系與入口擴(kuò)散和擴(kuò)散能量來(lái)源（Inlet Diffusion）、（Diffusion Energy Source）設(shè)置；煙囪口排放尾氣組份（Species Mass Fractions）以及大氣濕度、溫度條件根據(jù)表1的數(shù)據(jù)設(shè)置。

圖4 脫硫脫硝尾氣煙羽擴(kuò)散總體相對(duì)濕度分布云圖

圖5 視覺(jué)可見(jiàn)煙羽尾氣擴(kuò)散部分（相對(duì)濕度100%以上區(qū)域）云圖

2.6 邊界和算法設(shè)定

本模型2個(gè)速度入口velocity-inlet邊界條件的設(shè)置如表2。

其它2個(gè)壓力出口Pressure Outlet邊界，設(shè)置為環(huán)境大氣壓力，湍流強(qiáng)度設(shè)為0.1%，計(jì)算邊界分別為400m。

模型建立完畢后，進(jìn)行全面初始化，首次計(jì)算按照1000步迭代，后續(xù)各種方案調(diào)整計(jì)算200步迭代即可滿(mǎn)足要求。

3 模型研究數(shù)據(jù)結(jié)果

模型計(jì)算出脫硫脫硝排放尾氣煙羽中一氧化氮（NO）擴(kuò)散分布濃度狀況云圖見(jiàn)圖3。

對(duì)于脫硫脫硝尾氣排放煙羽的視覺(jué)可見(jiàn)性問(wèn)題，主要是煙氣中所夾帶的水蒸氣與大氣接觸擴(kuò)散后，造成擴(kuò)散區(qū)域空氣相對(duì)濕度提高，超過(guò)空氣飽和濕度后凝結(jié)所致，因此可采用相對(duì)濕度云圖進(jìn)行描述，模型生成的在排放口溫度為55.8℃條件下的煙羽擴(kuò)散整體相對(duì)濕度情況見(jiàn)圖4，其中大氣視覺(jué)可見(jiàn)部分即相對(duì)濕度超過(guò)100%以上區(qū)域的煙羽尾氣見(jiàn)圖5.

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本例的實(shí)踐，運(yùn)用CFD建模技術(shù)對(duì)脫硫脫硝尾氣煙羽擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行分析研究具有方便易行和可反復(fù)推演性，在生產(chǎn)實(shí)踐中可利用此模型對(duì)有關(guān)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，建模有關(guān)基本設(shè)置也可利用生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行修正，其效果直觀、形象。

表5 捕收劑條件試驗(yàn)結(jié)果 %

2.5 水玻璃用量條件試驗(yàn)

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，磨礦體系下加入水玻璃后，銅精礦回收率變化不大，但銅精礦品位明顯升高，由13.09%升至20.16%，表明水玻璃能在不影響銅回收率的情況下，抑制硅酸鹽類(lèi)礦物上浮，顯著提高銅精礦品位。

表6 水玻璃用量條件試驗(yàn)結(jié)果 %

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3 結(jié)語(yǔ)

該銅渣采用選礦方法回收銅，開(kāi)路試驗(yàn)可獲得含銅20.16%，銅回收率61.14%的精礦產(chǎn)品，尾礦銅品位可降至0.23%，說(shuō)明該銅渣可通過(guò)選礦回收，但最終的選礦指標(biāo)需通過(guò)流程試驗(yàn)才能確定。預(yù)計(jì)最終銅精礦品位可達(dá)到18%，銅回收率為80%左右。

[1]湯宏.銅渣選礦試驗(yàn)的探討[J].有色礦山,2011，30(5):38-40.

[2]楊慧芬，袁運(yùn)波等.銅渣中鐵銅組分回收利用現(xiàn)狀及建議[J].金屬礦山,2012(5):165-168.

[3]朱茂蘭，熊家春等.銅渣中銅鐵資源化利用研究進(jìn)展[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2016,37(2):15-17.

作者簡(jiǎn)介：凡永利（1985-），女，陜西省米脂縣人，學(xué)歷：碩士,職稱(chēng)：助教，榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系教師，研究方向：材料、礦冶工程。

朱旭東（1977-），男，遼寧人，本科學(xué)歷，中海石油寧波大榭石化有限公司工程師，研究方向：石油化工