溫度梯度對還原劑溶液霧化蒸發的影響

倪海波，梁 平，劉學炎，李澤清，葛棟杰

（浙江天藍環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。研究發現，還原劑噴入的合理溫度區域為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，通過適當的簡化，對循環流化床鍋爐中SNCR系統噴射的液滴與煙氣的混合情況進行數值模擬。基于模擬的溫度場和速度場分布，筆者提出設計方案，并根據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的循環流化床，煙氣量1 000 000 Nm3/h。SNCR系統布置在爐膛出口煙道上，煙道出口截面1 785 mm×7 800 mm，網格數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 數學模型

2.1 湍流模型

本文對煙氣流態的模擬采用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系統中，設計噴射位置最需要考慮的就是要在正確的溫度區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域會比較整齊。