CN104147916A - 基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，包括如下步骤：步骤1，在fluent中导入循环流化床锅炉的物理模型；步骤2，在物理模型中设定边界条件，进行数值模拟得到烟气从炉膛至分离器的温度以及速度场，并在温度及速度场满足第一条件的位置中布置SNCR喷枪；步骤3，根据SNCR喷枪位置计算出还原剂在烟道内的混合效果；步骤4，判断混合效果是否满足喷枪设置的第二条件，若不满足则继续调整直至确定SNCR喷枪的位置；步骤5，根据确定的SNCR喷枪位置，在循环流化床锅炉对应位置开设SNCR喷枪。本发明方法考虑到了还原剂在烟道内的化学反应和将燃烧反应，提高了循环流化床锅炉的脱硝效果。

Description

基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法

技术领域

本发明涉及循环流化床SNCR技术，尤其涉及一种基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法。

背景技术

SNCR技术是将含有氨基的还原剂喷入炉膛内，一般在900～1100℃高温区域与NO_x发生氧化还原反应，来达到脱除NO_x的目的。这种方法该方法以锅炉炉膛或烟道为反应器，可通过对锅炉的改造实现，改造周期短，工程难度小。SNCR的还原剂一般为氨、氨水或尿素等。

一个典型的SNCR工艺系统主要是由还原剂的储藏、输送和喷射装置组成，包括还原剂储存罐、输送泵、管道、喷射器和相关的控制系统以及NO_x在线监测系统。其中喷射系统是整个工艺系统中最重要的部分，还原剂的喷入系统必须将还原剂喷射到锅炉内最有效的部位即炉膛中温度适合还原反应的区域，并有足够的停留时间保证还原剂与烟气的充分混合和还原反应。

SNCR还原剂喷射方式分成两种：一种是将一种长喷枪直接插入烟道内，沿着喷枪的轴向开了多个喷嘴，将氮还原剂喷入炉内；另外一种还原剂喷射方式是将墙式喷嘴伸入循环流化床炉膛出口烟道内，喷射氮还原剂。长式喷枪因需要水冷却，几控制复杂，投资成本高，维护困难，因此较为常用的是墙式喷枪。

墙式喷枪在循环流化床上各个位置的布置方式不同会导致脱硝效果差别极大，因此，在布置喷枪之前，首先需要进行模拟。现有的模拟方式存在以下缺点：

1、未考虑还原剂在烟道内的化学反应。由于化学反应是瞬间的过程，还原剂颗粒在烟道内的蒸发、混合为主要的过程，混合效果好，脱硝效果就较好，所以模型的计算简化了化学反应这一过程。简化缩短了模拟计算时间，但由于没有考虑化学反应，必然存在一定的误差。

2、忽略了燃烧反应。燃烧反应是一个复杂的化学反应过程，SNCR流场模拟中只考虑还原剂的混合效果，所以没有考虑燃烧，设定在固定的1200K的烟道温度环境下，还原剂颗粒的蒸发和混合。认为烟道的温度是均匀的。通过比较有温度梯度的烟道温度场下，还原剂的蒸发混合及流场，发现混合效果不变，但均匀温度场的二次流比有温度梯度的二次流要小一些。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于fluent软件确定循环流化床锅炉上SNCR喷枪位置的方法，通过这种方法的计算，可以得到分离器进口烟道内详细的烟气速度分布，还原剂射流的迹线图，以及烟道截面和分离器出口还原剂颗粒的混合情况。

一种基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，包括如下步骤：

步骤1，在fluent中导入循环流化床锅炉的物理模型，该物理模型包括依次连接的炉膛、烟道和分离器；

步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，进行数值模拟得到烟气从炉膛至分离器的温度以及速度场，并在温度及速度场满足第一条件的位置中布置SNCR喷枪；

步骤3，根据SNCR喷枪位置计算出还原剂在烟道内的混合效果；

步骤4，判断混合效果是否满足喷枪设置的第二条件：

是，确定SNCR喷枪的位置；

否则，在满足第一条件下调整SNCR喷枪至其他位置，并重复步骤3，直至确定SNCR喷枪的位置；

步骤5，根据确定的SNCR喷枪位置，在循环流化床锅炉对应位置开设SNCR喷枪。

本发明通过对锅炉炉膛到分离器出口建立物理模型，并细化烟道处的网格，模拟烟道流场以及还原剂在烟道内的混合效果，通过调整位置确定最佳的喷枪布置位置，从而保证所建立的流化床锅炉具有最佳的脱硝效果。

为了使SNCR喷枪在循环流化床上能够灵活调整位置，同时兼顾计算开销，作为优选，步骤1中，建立的物理模型经过网格划分，网格划分的数目为2800000至3200000个。

在建立好循环硫化床锅炉模型后，通过设置边界条件来对输入烟气在循环流化床锅炉中的流动进行数值模拟，从而得到满足边界条件的烟气在循环流化床锅炉模型中的流动模拟状态，可选的，步骤2中，边界条件包括壁面边界的导热性、烟气的入口速度、烟气温度以及水力直径，其中壁面边界为绝热方式。其他的边界条件，视具体的工程条件设定。通过设置这些边界条件，模拟烟气在烟道中的流动，从而能够得到烟道出口处温度和速度场。

在设置好边界条件后，在循环流化床锅炉中来模拟烟气的流动，可选的，步骤2中，数值模拟的方法为，根据边界条件建立基本控制方程以及湍流模型，并对基本控制方程和湍流模型进行求解，得到烟气的温度及速度场。其中，通过湍流模型可以用于模拟出烟气在旋风分离器作用下的旋流，根据基本控制方程以及湍流模型所求解得到的速度场包括速度分布以及烟气颗粒的流动轨迹。

基本控制方程受物理守恒定律支配，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。基本控制方程求解方式有多种，例如SIMPLEC算法、SIMPLER算法等，可选的，基本控制方程通过SIMPLE算法进行求解。

湍流模型的种类很多，优选的，湍流模型为带有旋流修正的RNG k-ε模型。这种湍流模型考虑了漩涡流动的影响，可以较好地模拟旋流流动。

烟气在循环流化床锅炉中不同位置的温度和速度场各不相同，而温度需要落在脱硝温度的区间内，同时，烟气的速度大小由循环流化床锅炉烟气量决定，速度大还原剂射流长，还原剂停留时间短，导致混合效果不理想。因此，优选的，所述第一条件为，脱硝反应温度区间在850～950摄氏度，烟气的速度矢量对还原剂的穿透性有正加速度作用。

在满足第一条件之后，初步选定了SNCR喷枪的位置，再利用SNCR喷枪模拟还原剂与烟气混合，从而计算出混合效果。可选的，步骤3中，采用离散相模型来进行烟道混合计算，通过在离散相模型中输入还原剂的喷射点位置，喷射方向、射流速度、射流质量流量、颗粒的粒径分布来获取混合效果，所述混合效果包括还原剂在烟道中的相对浓度分布、覆盖面积以及还原剂的颗粒轨迹。此处喷射点位置、喷射方向、射流速度通过设置SNCR喷枪参数得到。利用离散相计算出的还原剂在烟道内的浓度分布计算出该截面的平均浓度，再将截面上每个点的浓度与截面的平均浓度相比，得到截面上该点的相对浓度。通过判断截面上各点相对浓度情况，进行第二条件的判断。

优选的，在步骤4中，第二条件为以下两者，且两个条件需同时满足：

a.在烟道出口截面处，还原剂的相对浓度为20％～180％的覆盖面积与出口截面积的比例大于70％；

b.还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面不存在接触。

在截面中还原剂相对浓度在20％至180％范围的覆盖面积大于70％，判定为还原剂与烟气充分混合，同时还原剂颗粒轨迹与烟道壁面不存在接触，则保证还原剂不会冲刷壁面，对烟道壁面形成破坏。

本发明方法考虑到了还原剂在烟道内的化学反应，并通过设置边界条件、湍流模型等，将燃烧反应加入SNCR喷枪位置设置的考虑中，以改进循环流化床锅炉的SNCR喷枪的设置方式，提高了循环流化床锅炉的脱硝效果。

附图说明

图1为本发明一个实施例的循环流化床炉膛到分离器出口的物理模型；

图2为本发明当前实施例的锅炉截面，其中显示炉膛出口烟道处的烟气速度分布；

图3为本发明当前实施例还原剂射流的粒子轨迹图；

图4为本发明当前实施例中烟道截面上还原剂颗粒的混合情况；

图5为本发明当前实施例的方法流程图。

具体实施方式

现结合实施例及说明书附图，对本发明进行详细的解释。

如图5所示，本发明一个实施例的步骤如下：

步骤1，在fluent中导入循环流化床锅炉的物理模型，该物理模型包括依次连接的炉膛、烟道和分离器。

其中物理模型是预先建立的，如图1所示，所建立的物理模型包括依次连接的炉膛、炉膛出口烟道、旋风分离器(分离器)3个计算区域，各个计算区域经过网格划分。炉膛出口烟道是通常布置喷枪的位置，气速也较大，为了计算的准确性，网格较细，划分数目为2800000～3200000个。

步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，进行数值模拟得到烟气从炉膛至分离器的温度以及速度场，并在温度及速度场满足第一条件的位置中布置SNCR喷枪。

边界条件包括壁面边界的导热性、烟气的入口速度、烟气温度以及水力直径，其中壁面边界为绝热方式。锅炉为150t/h的循化流化床锅炉，烟气量为173186Nm3/h，旋风分离器进口尺寸约为1495*2500mm(减去积灰厚度800mm)，设定炉膛出口温度为1143K。数值模拟利用基本控制方程结合湍流模型进行计算。

在进行数值模拟的过程中将混合烟气看作多种理想不可压气体间混合。湍流模型采用RNG k-ε模型。计算出烟气流动迹线和速度场。

基本控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。流体流动受物理守恒定律支配。

质量守恒方程：

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρw}\right)}{\∂z}=0$

动量守恒方程：

$\frac{\∂(\mathrm{\ρu})}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuw}\right)}{\∂z}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂u}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂x}+S_u$

$\frac{\∂(\mathrm{\ρv})}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvw}\right)}{\∂z}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂v}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂y}+S_v$

$\frac{\∂(\mathrm{\ρw})}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwu}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwv}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρww}\right)}{\∂z}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\μ}\frac{\∂w}{\∂z}\right)-\frac{\∂p}{\∂z}+S_w$

能量守恒方程：

$\frac{\∂(\mathrm{\ρT})}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρuT}\right)}{\∂x}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρvT}\right)}{\∂y}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρwT}\right)}{\∂z}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{k}{c_p}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\frac{k}{c_p}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\frac{k}{c_p}\frac{\∂T}{\∂z}\right)+S_T$

c_p为烟气比热容，μ是烟气流体的动力粘度系数，ρ是烟气密度，p是烟气的压强，xyz表示各点的坐标位置，t表示时间；S_u、S_v、S_w表示广义源项，与微元体的受力和粘性有关，S_T为粘性耗散项，u、v、w是烟气在三个坐标方向的速度。

其中基本控制方程采用SIMPLE算法。

湍流模型选择带有旋流修正的RNG k-ε模型，考虑了漩涡流动的影响，可以较好地模拟旋流流动。湍流流动方程如下：

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρk}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ}{\mathrm{ku}}_i\right)}{\∂x_i}=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left[{\mathrm{\α}}_k{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂k}{x_j}\right]+G_k+\mathrm{\ρ\ϵ}$

$\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ\ϵ}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{\ρ\ϵ}{u}_i\right)}{{\∂x}_i}=\frac{\∂}{{\∂x}_j}\left[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{x_j}\right]+\frac{C_{1\mathrm{\ϵ}}^{*}}{k}{G}_k-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}$

其中，u_i和u_j表示在i和j方向上的速度，x_i以及x_j表示距离，

μ_eff＝μ+μ_t，μ表示流体动力粘度， ${\mathrm{\μ}}_t=\mathrm{\ρ}{C}_u\frac{k^2}{\mathrm{\ϵ}},C_{1\mathrm{\ϵ}}^{*}=C_{1\mathrm{\ϵ}}-\frac{\mathrm{\η}(1-\mathrm{\η}/{\mathrm{\η}}_0)}{1+\mathrm{\β}{\mathrm{\η}}^3},$ 主流的时均应变率μ_t是预设的湍流粘性系数，fluent在迭代过程中计算得到湍流能k，耗散率ε，由于平均速度梯度引起的湍流能产生项G_k，C_μ、α_k、α_ε、C_1ε、C_2ε、β、η₀为fluent根据所选择的湍流模型进行的默认赋值。

通过以上两个方程计算出烟气的温度以及速度场。如图2所示，分离器进口烟道的平均速度为36～39m/s，图2中炉膛到分离器内各处的数字表示速度，单位为m/s。根据计算结果，将喷枪布置在满足第一条件的位置。第一条件为，在现场施工条件允许的前提下，烟气的温度范围在850～950摄氏度，烟气的速度矢量方向有利于还原剂在烟道内的穿透性。

步骤3，根据SNCR喷枪位置计算出还原剂在烟道内的混合效果。

还原剂在烟气中的混合采用离散相模型。

通过在离散相模型中输入喷枪参数来获取混合效果，包括还原剂的喷射点位置，喷射方向、射流速度、射流质量流量、颗粒的粒径分布。

步骤4，判断混合效果是否满足喷枪设置的第二条件：

是，确定SNCR喷枪的位置；

否则，在满足第一条件下调整SNCR喷枪至其他位置，并重复步骤3，直至确定SNCR喷枪的位置。

其中第二条件包括两者，需要同时满足：

a.在烟道出口截面处，还原剂的相对浓度为20％～180％的覆盖面积与出口截面积的比例大于70％；

b.还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面不存在接触。

步骤3中计算得到还原剂射流的颗粒轨迹(如图3)和烟道截面处还原剂颗粒的混合效果(如图4)。图3中显示射流从喷口(烟道入口处)出来到射流末端(分离器)停留时间依次延长，射流末端停留时间最长，即左侧最上端所表示的数值，停留时间的单位为s。还原剂在烟道内最长的停留时间需0.099s。图4中各处的数字表示截面处还原剂的相对浓度百分比，如图4，该截面处还原剂相对浓度大于20％的覆盖面积为91.6％，还原剂相对浓度20％～180％的覆盖面积为85.5％，且还原剂颗粒轨迹与烟道壁面不存在接触。这种喷枪参数下，采用的位置较为合理，使还原剂颗粒得到了较好的混合，保证了脱硝效率。若效果不好，通过调整喷枪参数和喷枪位置，使模拟结果得到最优解。

步骤5，根据确定的SNCR喷枪位置，在循环流化床锅炉对应位置开设SNCR喷枪。

本发明方法考虑到了还原剂在烟道内的化学反应，并通过设置边界条件、湍流模型等，将燃烧反应加入SNCR喷枪位置设置的考虑中，以改进循环流化床锅炉的SNCR喷枪的设置方式，提高了循环流化床锅炉的脱硝效果。

Claims (9)

1.一种基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在fluent中导入循环流化床锅炉的物理模型，该物理模型包括依次连接的炉膛、烟道和分离器；

步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，进行数值模拟得到烟气从炉膛至分离器的温度以及速度场，并在温度及速度场满足第一条件的位置中布置SNCR喷枪；

步骤3，根据SNCR喷枪位置计算出还原剂在烟道内的混合效果；

步骤4，判断混合效果是否满足喷枪设置的第二条件：

是，确定SNCR喷枪的位置；

否则，在满足第一条件下调整SNCR喷枪至其他位置，并重复步骤3，直至确定SNCR喷枪的位置；

步骤5，根据确定的SNCR喷枪位置，在循环流化床锅炉对应位置开设SNCR喷枪。

2.如权利要求1所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，步骤1中，建立的物理模型经过网格划分，网格划分的数目为2800000至3200000个。

3.如权利要求1或2所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，步骤2中，边界条件包括壁面边界的导热性、烟气的入口速度、烟气温度以及水力直径，其中壁面边界为绝热方式。

4.如权利要求3所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，步骤2中，数值模拟的方法为，根据边界条件建立基本控制方程以及湍流模型，并对基本控制方程和湍流模型进行求解，得到烟气的温度及速度场。

5.如权利要求4所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，基本控制方程通过SIMPLE算法进行求解。

6.如权利要求4所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，湍流模型为带有旋流修正的RNG k-ε模型。

7.如权利要求1或2所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，所述第一条件为，脱硝反应温度区间在850～950摄氏度，烟气的速度矢量对还原剂的穿透性有正加速度作用。

8.如权利要求3所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，步骤3中，采用离散相模型来进行混合计算，通过在离散相模型中输入还原剂的喷射点位置，喷射方向、射流速度、射流质量流量、颗粒的粒径分布来获取混合效果，所述混合效果包括还原剂在烟道中的相对浓度、覆盖面积以及还原剂的颗粒轨迹。

9.如权利要求1或2所述基于fluent设置循环流化床锅炉的SNCR喷枪方法，其特征在于，在步骤4中，第二条件为以下两者，且两个条件需同时满足：

a.在烟道出口截面处，还原剂的相对浓度为20％～180％的覆盖面积与出口截面积的比例大于70％；

b.还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面不存在接触。