鍋爐旁路尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)內(nèi)的機(jī)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(yáng) 110000)

隨著脫硝環(huán)保行業(yè)對(duì)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(lái)降低煙氣中氮氧化物的排放，王敦敦等人通過(guò)數(shù)值模擬研究得出，在SCR脫硝系統(tǒng)中通過(guò)安裝旁路煙道，在低負(fù)荷下顯著提高了脫硝入口的煙氣溫度，可有效避免低負(fù)荷下脫硝退出或效率下降導(dǎo)致的氮氧化物超標(biāo)排放。畢浩生等人在旁路煙道基礎(chǔ)上，提出一種多負(fù)荷工況條件下使用的鍋爐高溫?zé)煔馀月分眹娔蛩責(zé)峤庵瓢奔夹g(shù)。此技術(shù)相對(duì)于爐外尿素?zé)峤饧夹g(shù)，節(jié)省電能的消耗，降低脫硝成本；相對(duì)于爐內(nèi)尿素直噴技術(shù)，它解決了在鍋爐內(nèi)沒(méi)有合適的空間或沒(méi)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(huì)影響鍋爐效率，也不會(huì)腐蝕受熱面。

機(jī)翼繞流屬于三維湍流流動(dòng)，具有非穩(wěn)定、帶旋轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，特別是機(jī)翼交接處形成的分離渦流動(dòng)，它包含著豐富的流體特性和機(jī)理。基于機(jī)翼繞流特點(diǎn)，將機(jī)翼式格柵運(yùn)用到脫硝系統(tǒng)煙道中具有一定的研究?jī)r(jià)值。

本文提出在旁路煙道下端安裝機(jī)翼式格柵裝置，運(yùn)用到某電廠150MW 鍋爐旁路尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行滿負(fù)荷和50%負(fù)荷兩種工況的CFD 數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)計(jì)算出的煙道內(nèi)壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和氨氣濃度場(chǎng)來(lái)分析研究機(jī)翼式格柵內(nèi)外壓差情況，安裝機(jī)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?yàn)槲矬w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(jī)翼上表面前段；逆壓：B 到C，沿流向壓力逐漸增加，如機(jī)翼上表面后段。

從邊界層理論得出，翼型屬于曲面就會(huì)有邊界層的分離，翼型屬于流線型的物體，其特點(diǎn)在于其分離點(diǎn)相對(duì)于其他形狀物體靠后，其形狀阻力相對(duì)于其他物體小。 翼型由前端層流過(guò)渡到翼型尾部紊流區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，在轉(zhuǎn)捩點(diǎn)處壓力最小，是翼型表面負(fù)壓最大的地方，在此處設(shè)計(jì)噴氨口，有利于機(jī)翼內(nèi)外形成較大的壓差，使旁路煙氣順利通過(guò)機(jī)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(lái)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(jiǎn)化計(jì)算和突出重點(diǎn)，采取旁路脫硝系統(tǒng)局部進(jìn)行模擬包含機(jī)翼式格柵部分如圖2 所示。

圖2 鍋爐旁路尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)

圖3 的三維幾何模型中， 單側(cè)進(jìn)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(gè)翼型柱體上開(kāi)有左右對(duì)稱共18 個(gè)小正方形旁路煙氣出口，小正方形尺寸為100×100mm，在每個(gè)翼型柱體下方開(kāi)有1 個(gè)正方形100×100mm 的漏灰孔。單側(cè)旁路煙道配有6 支噴槍，每個(gè)噴槍上有2 個(gè)噴頭。

圖3 三維幾何模型

2.2 邊界條件(表1）

表1 滿負(fù)荷、50%負(fù)荷工況邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 滿負(fù)荷工況的計(jì)算結(jié)果與分析

（1）壓力數(shù)值圖（圖4、5）。從機(jī)翼壓力數(shù)值圖看，機(jī)翼轉(zhuǎn)捩點(diǎn)處最低壓力-660Pa，機(jī)翼內(nèi)外平均壓差約為360Pa。機(jī)翼對(duì)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?zé)峤夂蟮臒煖刈兓苄。梢院雎圆挥?jì)。而從旁路引入到主煙道的高溫?zé)煔馀c經(jīng)過(guò)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(fù)荷情況下，機(jī)翼的均勻布置和機(jī)翼尾部的渦旋共同作用，可以使氨氣與煙氣充分混合，整個(gè)煙道截面的氨濃度能夠很好的覆蓋，機(jī)翼后方氨分布十分均勻，最終在煙道出口處氨濃度標(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷工況計(jì)算結(jié)果與分析

（1）壓力數(shù)值圖（圖10 和圖11）。從機(jī)翼壓力數(shù)值圖看，機(jī)翼轉(zhuǎn)捩點(diǎn)處最低壓力-380Pa，機(jī)翼內(nèi)外平均壓差約為50Pa。機(jī)翼對(duì)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?zé)峤夂蟮臒煖刈兓苄。梢院雎圆挥?jì)。而從旁路引入到主煙道的高溫?zé)煔馀c經(jīng)過(guò)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(fù)荷情況下，機(jī)翼后方氨分布比較均勻，最終在煙道出口處氨濃度標(biāo)準(zhǔn)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(yǔ)

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(duì)于其他物體阻力小；在翼型轉(zhuǎn)捩處負(fù)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?jǐn)_動(dòng)混合，減小氨逃逸率。總之，將機(jī)翼式格柵運(yùn)用到脫硝系統(tǒng)煙道中，對(duì)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(fù)荷、50%負(fù)荷機(jī)翼格柵參數(shù)結(jié)果