CN104707480A - 一种基于cfd的sncr-scr脱硝工艺补氨设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，包括如下步骤：步骤1，在CFD中导入锅炉出口烟道的物理模型，该物理模型包括依次连接的烟道内低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器；步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，对输入烟气在烟道内的流动进行数值模拟，得到烟气从烟道入口到出口处温度和速度场，在烟道内低级过热器之后布置补氨装置，在空气预热器之前安装催化剂层；步骤3，根据补氨装置的结构计算出还原剂在烟道内催化剂入口处的混合效果；步骤4，判断混合效果是否满足补氨装置的必要充分条件：是，确定补氨装置的结构设计；否则，调整补氨装置的结构设计，并重复步骤3，直至确定补氨装置的结构设计。

Description

一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法

技术领域

本发明涉及工业锅炉脱硝技术，尤其涉及一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法。

背景技术

我国的工业锅炉氮氧化物浓度一般在200～450mg/Nm³，如单独采用SNCR技术则一些锅炉难以满足现有的排放标准，而采用SCR技术则在空间布置和投资费用方面存在问题，因此急需开发一种较低投资，高脱硝效率，占地面积适中的脱硝技术。而SNCR-SCR脱硝技术则是集中了SCR技术高效、SNCR技术投资省与占地少的优点而发展起来的一种新型脱硝工艺。SNCR-SCR脱硝技术最主要的改进就是省去了SCR设置在烟道里的复杂AIG(氨喷射)系统，并具有以下优点：(1)系统脱硝效率高。(2)脱硝每千瓦建造成本相对较低。(3)设备相对简单，建设周期短，占地面积小。(4)催化剂用量较少，系统压损小。(5)SO₂/SO₃氧化率较低，对下游设备腐蚀相对较小。(6)独特的辅助喷氨系统更易于控制管道内氨的分布。(7)系统运行成本相对较低，设备易于维护。(8)氨逃逸率低。它还可为在符合环保法规的要求下，阶段性的增添设备及催化剂，而无需将资金做一次性使用，可大量节省投资费用。而且此工艺不受煤质影响，既适合新建工业锅炉，也适用于老厂改造工程。SNCR-SCR工艺的还原剂一般为氨、氨水或尿素等一种或几种。

SNCR-SCR脱硝技术的难点与关键点在于还原剂与烟气中氮氧化物的混合程度、温度、流场的均匀性和催化剂活性。目前，商业催化剂品种众多，有较大的选择余地。而通过CFD流场模拟可以优化脱硝系统的外形与内部结构设计，使烟气中NO_x与还原剂的达到最佳混合，优化烟气速度分布，降低压损，达到最优的脱硝效率，因此流场模拟成为催化剂除外的SNCR-SCR脱硝技术的另外一个关键因素，也是SNCR-SCR脱硝技术的核心技术之一。

目前，由于补氨装置设计缺陷、混合方式不合理，引起混合气流的成分偏析、催化床工作条件的恶化，从而形成还原剂氨气的无效排放，进而引起相应的经济性和附加污染排放问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，通过这种方法，可以计算到催化剂出口处详细的烟气速度分布，特别是还原剂的浓度分布，根据还原剂的浓度分布优化设计补氨装置。

一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，包括如下步骤：

步骤1，在CFD中导入锅炉出口烟道的物理模型，该物理模型包括依次连接的烟道内低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器；

步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，对输入烟气在烟道内的流动进行数值模拟，得到烟气从烟道入口到出口处温度和速度场，在烟道内低级过热器之后布置补氨装置，在空气预热器之前安装催化剂层；

步骤3，根据补氨装置的结构计算出还原剂在烟道内催化剂入口处的混合效果；

步骤4，判断混合效果是否满足补氨装置的必要充分条件：

是，确定补氨装置的设计；

否则，调整补氨装置的结构设计，并重复步骤3，直至确定补氨装置的结构设计。

本发明通过对锅炉出口烟道包括低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器，建立物理模型，并细化烟道壁面处的网格，模拟烟道流场以及还原剂在烟道内的混合效果，通过调整补氨装置的结构设计，从而保证所建立的脱硝装置达到良好的脱硝效果。所述补氨装置的结构设计主要体现在补氨装置上喷枪数量和喷枪上的喷口数量。所以调整补氨装置的结构设计时，主要是调整喷管和喷口的数量。

为了便于补氨装置的调整和模型计算，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20000000以上。

在建立好物理模型后，通过设置边界条件来对输入烟气在烟道内的流动进行数值模拟，从而得到满足边界条件的烟气在烟道内的流动模拟状态，可选的，步骤3中，边界条件包括入口速度、出口速度和壁面边界，以及壁面和散热系统的导热系数。所述壁面和散热系统的导热系数需要根据实际散热效果输入。所述导热系数包括低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器。

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速度场。

在设置好边界条件后，在烟道内低级过热器之后布置补氨装置，在空气预热器之前安装催化剂层，然后进行数值模拟。

作为优选，步骤(3)中，所述数值模拟的方法为，根据边界条件建立基本控制方程和组分运输方程以及湍流模型，并对基本控制方程、组分守恒方程和湍流模型进行求解，得到烟气的温度场、还原剂浓度场以及烟气的速度场。

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。

通过模拟不同结构的补氨装置喷射还原剂，并计算出相应的结构的补氨装置的混合效果，并根据混合效果来调整补氨装置的结构，最终确定满足条件的补氨装置。所述还原剂可以是液体也可以是气体。

作为一种优选方式，步骤3中，所述还原剂是液体，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、及还原剂的颗粒轨迹。在模拟过程中补氨装置和催化剂层的位置不变，补氨装置的每个喷口喷出的还原剂通过扩散后在催化剂入口处形成一定覆盖面积，通过这个覆盖面积与催化剂入口处的截面面积来反推喷枪的数量和喷枪上喷口的数量。然后再次代入计算，计算中有局部受其他影响不满足浓度分布要求，再对此进行局部处理。

所述还原剂是液体时，混合效果需要同时考虑催化剂入口处的氨氮比和还原剂的颗粒轨迹，作为进一步优选，在步骤4中，需同时满足：

a.在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5％；

b.还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面以及各个省煤器不存在接触。

在截面中还原剂相对浓度在氨氮比均方差小于5％，判定为还原剂与烟气充分混合，同时液体还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面或者省煤器不存在接触，则保证还原剂不会冲刷壁面或省煤器，对烟道壁面或者省煤器形成破坏。同时在设计时以最少的还原剂使用量达到最佳的混合效果。

作为另一种优选方式，步骤3中，所述还原剂为气体，采用气相模型来进行混合计算，通过输入气体速度和气体组分的体积分数来获取混合效果，所述混合效果包括还原剂在烟道中的相对浓度和覆盖面积。在模拟过程中补氨装置和催化剂层的位置不变，补氨装置的每个喷口喷出的还原剂通过扩散后在催化剂入口处形成一定覆盖面积，通过这个覆盖面积与催化剂入口处的截面面积来反推喷枪的数量和喷枪上喷口的数量。然后再次代入计算，计算中有局部受其他影响不满足浓度分布要求，再对此进行局部处理。

还原剂为气体时，只需通过还原剂在催化剂入口处的浓度分布来判断混合效果，优选的，需满足：在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5％。

在截面中还原剂相对浓度在氨氮比均方差小于5％，判定为还原剂与烟气充分混合。

本发明的基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，通过在CFD软件中导入锅炉出口烟道的物理模型，并在模型中设置补氨装置和催化剂层，并设置边界条件模拟并计算还原剂与烟气的混合效果，在模拟的过程中，调整和优化补氨装置的结构设计，以达到最佳的混合效果，补氨装置的结构设计优化后，使烟气中NO_x与还原剂的达到最佳混合，达到最优的脱硝效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的锅炉出口烟道的物理模型示意图；

图2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1所示，本发明的一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，包括步骤如下：

步骤1，在CFD软件中导入锅炉出口烟道的物理模型，该物理模型包括依次连接的烟道内低级过热器1、一级省煤器2、二级省煤器3、声波吹灰器4、三级省煤器5和空气预热器6；

其中物理模型是预先建立的，所建立的物理模型包括依次连接的烟道内低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器的计算区域，各个计算区域经过网格划分，为了计算的准确性，网格较细，划分数目为2000000以上。

步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，对输入烟气在烟道内的流动进行数值模拟，得到烟气从烟道入口到出口处温度和速度场，在烟道内低级过热器之后布置补氨装置7，在空气预热器之前安装催化剂层8；

边界条件必须与实际情况相匹配。

边界条件包括壁面边界、低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器的导热性、烟气的入口速度和出口速度以及烟气温度。锅炉为220t/h的锅炉，烟气量为250000Nm³/h。数值模拟利用基本控制方程和组分守恒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。湍流模型采用标准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：

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

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

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

能量守恒方程：

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

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。

组分守恒方程：

$\frac{\∂\left({\mathrm{\ρc}}_s\right)}{\∂t}+\mathrm{div}\left({\mathrm{\ρuc}}_s\right)=\mathrm{div}\left(D_s\mathrm{grad}\left({\mathrm{\ρc}}_s\right)\right)+S_s$

式中，c_s为组分的体积浓度，ρc_s是该组分的质量浓度，D_s为该组分的扩散系数，S_s为系统内部单位时间内单位体积通过化学反应产生的该组分的质量，即生产率。上式左侧第一项、第二项、右侧第一项和第二项，分别称为时间变化率、对流项、扩散项和反应项。各组分质量守恒方程之和就是连续方程，因为ΣS_s＝0。因此，如果共有z个组分，那么只有z-1个独立的组分质量守恒方程。

其中基本控制方程采用SIMPLE算法。

标准k-ε模型是应用最广泛的两方程涡粘性模式，它求解两个湍流标量k和ε的输运方程。k方程表示湍动能输运方程，ε方程表示湍动能的耗散率。湍流输运方程可表示成以下形式：

湍流能量输运方程

$\frac{\∂\mathrm{\ρk}}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}({\mathrm{\ρu}}_j\frac{\∂k}{{\∂x}_j}-(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\τ}}}{{\mathrm{\σ}}_k})\frac{\∂k}{{\∂x}_j})={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tij}}{S}_{\mathrm{ij}}-\mathrm{\ρ\ϵ}+{\mathrm{\φ}}_k$

能量耗散输运方程

$\frac{\∂\mathrm{\ρ\ϵ}}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_j}({\mathrm{\ρu}}_j\mathrm{\ϵ}-(\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\τ}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\ϵ}}})\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{{\∂x}_j})=c_{\mathrm{\ϵ}1}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{tij}}{S}_{\mathrm{ij}}-c_{\mathrm{\ϵ}2}{f}_2\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\ϵ}}$

其中μ_t为涡粘性,定义为湍动能k和湍流耗散率ε的函数

μ_t＝c_μf_μρk²/ε

基于量纲分析，涡粘性由流体密度ρ，湍流速度尺度k²和长度尺度k^3/2/ε来标度，衰减函数f_μ由湍流雷诺数Re_t＝ρk²/εμ来模化。其他模型常数分别为：

c_μ＝0.09 c_ε1＝1.45 c_ε2＝1.92 σ_k＝1.0 σ_ε＝1.3 Pr_t＝0.9

k-ε模型可以计算比较复杂的紊流，比如较好地预测无浮力的平面射流，平壁边界层流动，管流，通道流动，喷管内的流动，以及二维和三级无旋和弱旋加流流动等，因此也适用于本模型。

步骤3，根据补氨装置计算出还原剂在烟道内催化剂入口处的混合效果；

步骤4，判断混合效果是否满足补氨装置的必要充分条件：

是，确定补氨装置的设计；

否则，调整补氨装置的结构设计，并重复步骤3，直至确定补氨装置的结构设计。

还原剂若为液体，在烟气中的混合采用离散相模型，液体还原剂可选氨水或者尿素溶液。

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中判断混合效果必须同时满足：

a.在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5％；

b.还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面以及省煤器不存在接触。

在截面中还原剂相对浓度在氨氮比均方差小于5％，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或者省煤器不存在接触，则保证还原剂不会冲刷壁面或省煤器，对烟道壁面或者省煤器形成破坏。

还原剂若为气体，在烟气中的混合采用气相模型，气体还原剂可选氨气。

还原剂为气体时，步骤4中判断混合效果只需满足：

在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5％。

在截面中还原剂相对浓度在氨氮比均方差小于5％，判定为还原剂与烟气充分混合。

在模拟过程中补氨装置和催化剂层的位置不变，补氨装置的每个喷口喷出的还原剂通过扩散后在催化剂入口处形成一定覆盖面积，通过这个覆盖面积与催化剂入口处的截面面积来反推喷枪的数量和喷枪上喷口的数量。然后再次代入计算，计算中有局部受其他影响不满足浓度分布要求，再对此进行局部处理。

Claims (8)

1.一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在CFD软件中导入锅炉出口烟道的物理模型，该物理模型包括依次连接的烟道内低级过热器、一级省煤器、二级省煤器、三级省煤器和空气预热器；

步骤2，在所述物理模型中设定边界条件，对输入烟气在烟道内的流动进行数值模拟，得到烟气从烟道入口到出口处温度以及速度场，在烟道内低级过热器之后布置补氨装置，在空气预热器之前安装催化剂层；

步骤3，根据补氨装置的结构计算出还原剂在烟道内催化剂入口处的混合效果；

步骤4，判断混合效果是否满足补氨装置的必要充分条件：

是，确定补氨装置的结构设计；

否则，调整补氨装置的结构设计，并重复步骤3，直至确定补氨装置的结构设计。

2.如权利要求1所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，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20000000以上。

3.如权利要求1或2所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，边界条件包括烟气的入口速度、出口速度和壁面边界，以及壁面和散热系统的导热系数。

4.如权利要求3所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，数值模拟的方法为，根据边界条件建立基本控制方程和组分运输方程以及湍流模型，并对基本控制方程、组分守恒方程和湍流模型进行求解，得到烟气的温度场、还原剂浓度场以及烟气的速度场。

5.如权利要求4所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，步骤3中，所述还原剂为液体，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。

6.如权利要求5所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，在步骤4中，需同时满足：

a.在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5％；

b.还原剂的颗粒轨迹与烟道壁面以及各个省煤器不存在接触。

7.如权利要求4所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，步骤3中，所述还原剂为气体，采用气相模型来进行混合计算，通过输入气体速度和气体组分的体积分数来获取混合效果，所述混合效果包括还原剂在烟道中的相对浓度和覆盖面积。

8.如权利要求7所述一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，其特征在于，在步骤4中，需满足：在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5％。