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【技术汇】SCR 脱硝系统喷氨格栅的模拟优化

来源:AG8亚洲国际游戏集团环保     宣布时间:2021-01-29

       以锅炉的选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脱硝系统为研究工具,运用数值模拟的要领剖析原喷氨格栅结构下烟气与氨气的混淆效果,对其结构和安排形式进行优化调解,发明缩小喷氨圆管上喷氨孔的直径并接纳两侧安排大孔径中间安排小孔径的形式,可增强氨气射流的穿透力,NH3摩尔浓度的变异系数Cv最高下降20%,烟气与氨气混淆均匀性获得大幅提升。

       要害词:喷氨格栅;数值模拟;变异系数;混淆均匀性

       引言

       选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)脱硝是指在催化剂作用下,喷入还原剂氨或尿素,将烟气中的NOx还原为N2和H2O。烟气氨氮漫衍均匀性被视为SCR脱硝性能评价的一个重要指标,作为SCR脱硝系统结构的一部分,喷氨格栅可促使氨气和烟气在进入SCR反应器前充分混淆,喷氨装置设计不对理将直接造成氨氮混淆不均匀,进而影响到进入催化剂层的反应。只有烟气与氨具有良好的混淆均匀性,才华包管催化剂层抵达最佳的催化反应和氮脱除效率。海内外常用喷氨格栅进行多点喷氨,使氨均匀地漫衍在整个反应器截面上。越来越严的排放标准对SCR反应器内的速度场、浓度场、喷氨格栅喷射三者之间的耦合提出了更高要求,系统均流与混淆是脱硝系统运行优化的要害之一。以锅炉的SCR脱硝系统为研究工具,接纳数值模拟盘算要领,在剖析原喷氨格栅结构烟气与氨气的混淆效果的基础上,对其结构和安排形式进行优化调解,为脱硝喷氨格栅结构参数的优化设计提供参考。

       1 模拟工具与要领

       1.1模拟工具的几何结构及界限条件

       脱硝还原剂接纳氨气,原始 SCR 喷氨格栅主要由氨气风道和烟道组成, 盘算区域的几何模型如图1(a)所示 ,氨 与 空 气混淆 稀 释 后 经氨气入口 进 入 环形氨气风道,并从喷氨圆管的管壁圆孔喷出;烟气从高温烟气入口自上而下流动, 并在方形段烟道内与氨气混淆,最终从烟气出口流出。氨气风道为矩形,安排在烟道周边,两侧与喷氨圆管连通,烟道内共安排 5 根喷氨圆管,烟道内每根喷氨圆管中心线上,均设置有对称安排的喷氨孔, 喷口开孔偏向与烟气流向、喷氨圆管中心线笔直。SCR 喷氨格栅模型网格划分如图 1(b)所示,运用 ANSYS MESH 软件对三维几何模型进行网格划分, 接纳六面体与四面体混淆网格,对喷氨圆管网格进行局部加密,最终的网格数量控制在 100 万左右。

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图 1 SCR 喷氨格栅几何模型及网格划分

       SCR 喷氨格栅入口参数见表 1, 对部分参数进行了简化处理,如用高温空气取代高温烟气,用纯氨气取代氨气与空气的混淆气体, 其他参数坚持与实际情况一致。

表 1 SCR 喷氨格栅入口参数
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       1.2 物理模型

       对 SCR 喷氨格栅区域进行流场优化模拟是基于 N-S 流动控制方程的求解。接纳标准 k-ε 模型模拟气体湍流流动。接纳 Species 物质输运模型模拟 NH3在烟气中的混淆与扩散, 但不涉及化学反应。开启能量方程,考虑空气与氨气的换热。本模拟假设烟气为单相气体, 不考虑高温烟气中粉尘对流场的影响,将烟气视为不可压缩流体,且为定常流动;假设高温烟气入口和氨气入口的速度漫衍均匀。烟道入口接纳速度进口界限条件, 烟道出口为 Outflow 界限条件;喷氨入口为速度入口,喷射角度与烟气流动偏向笔直;喷氨圆管及其他界限设为绝热壁面条件,接纳标准壁面方程,无滑移界限条件。

       2 模拟结果与剖析

       2.1原始SCR喷氨格栅的混淆剖析

       原始 SCR 喷氨格栅共设置有 5 根喷氨圆管,每根圆管管壁上开有圆形喷氨孔,其安排如图 2 所示:喷氨孔水平偏向上双侧对称安排,间距均为 20 mm,孔直径为 7 mm,每根喷氨圆管安排 20 个喷氨孔,从喷氨孔出来氨气的流向笔直于烟气流向。

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图 2 原始圆管上喷氨孔安排示意

       通过建立现有 SCR 喷氨格栅区域的全标准三维模型, 并利用 Fluent 18.0 进行数值模拟盘算,获得了现有 SCR 喷氨格栅烟道内的温度和 NH3质量分数漫衍。图 3 为原始喷氨格栅的温度漫衍,喷氨入口截面的温度漫衍如图 3(a)所示,氨气风道的温度较低,方形段烟道的温度较高,这是由于氨气初始温度为 150 ℃,而高温烟气初始温度为 370 ℃。5根喷氨圆管均泛起两侧到中间,温度明显逐渐升高的现象,最高温升达 180 ℃。由于壁面均已设置为绝热,所以排除导热造成管内氨气温度升高,这可能是由于通过喷氨孔部分高温空气混入了喷氨圆管中。烟气出口温度漫衍如图 3(b)所示,总体上看出口的温度漫衍并不十分均匀,两侧保存局部低温区。

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图 3 原始喷氨格栅温度漫衍

       图 4 为原始喷氨格栅的 NH3质量分数漫衍,喷氨入口截面的 NH3质量分数漫衍如图 4(a)所示,氨气风道的 NH3质量分数漫衍为 1,方形段烟道的为 0。5 根喷氨圆管均泛起两侧到中间,NH3质量分数漫衍逐渐降低的现象。而模拟历程中只有 NH3和空气两种组分,这说明随着 NH3在喷氨圆管中流动,方形烟道中部分空气通过喷氨孔进入到圆管中。烟气出口NH3质量分数漫衍如图 4(b)所示,总体上看出口NH3的漫衍并不十分均匀,保存中间浓度低,两侧浓度高的现象。

       无论从温度照旧 NH3质量分数的漫衍来看,接纳原始的喷氨格栅结构都保存高温烟气与氨气混淆均匀性较差的问题, 即烟道出口两侧氨气浓度高,中间浓度低的情况。这可能是由于氨气沿着圆管由两侧向中间流动时,其流量在逐渐减小;且喷氨孔是水平安排,高温空气笔直流动;并最终导致喷氨圆管的中间位置高温空气更容易通过喷氨孔进入圆管, 而氨气则更难从喷氨圆管的喷氨孔流入方形烟道。因此,优化设计时还因考虑在工艺允许的情况下, 进一步缩小圆管中间段喷氨孔的直径。

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图 4 原始喷氨格栅 NH3质量分数漫衍

       2.2 优化后 SCR 喷氨格栅的混淆剖析

       对原始 SCR 喷氨格栅进行了优化设计,其结构如图 5 所示。喷氨圆管上喷氨孔照旧以 20 mm 等间距安排, 有 D5.5 mm、D5.0 mm、D4.5 mm 及 D4.0 mm4 种规格,具体地,两侧安排大孔径中间安排小孔径,喷氨孔的数量和原始喷氨圆管一样,在水平偏向上双侧安排,每根喷氨圆管安排 20 个喷氨孔,从喷氨孔出来氨气的流向笔直于烟气流向。通过数值盘算获得了优化后 SCR 喷氨格栅烟道内的温度和 NH3质量分数漫衍。

       图 6 为优化后喷氨格栅的温度漫衍, 其温度标尺和图 3 原始喷氨格栅的温度标尺坚持一致。喷氨入口截面的温度漫衍如图 6(a)所示,氨气风道的温度较低,方形段烟道的温度较高, 这同样是由于氨气和空气的初始温度纷歧致。5 根喷氨圆管在方形烟道内温度稍微升高了一点, 最高温升不凌驾 30 ℃,并未泛起 原始结构 两 侧 到 中 间 温 度 明 显 升 高 的 现象。烟气出口温度漫衍如图 6(b)所示,虽然出口还保存小规模的局部低温区, 但总体上看其温度漫衍照旧比较均匀, 相比较于原始喷氨格栅出口的温度漫衍,局部低温区规模大大较小,温度均匀性明显提升。

       图 7 为优化后喷氨格栅的 NH3质量分数漫衍,其质量分数标尺和图 4 原始喷氨格栅的质量分数标尺坚持一致。喷氨入口截面的 NH3质量分数漫衍如图 7(a)所示,氨气风道的 NH3质量分数漫衍为 1,方形段烟道为 0。5 根喷氨圆管在方形烟道中 NH3质量分数均泛起了小幅降低, 这说明有少量空气通过喷氨孔进入圆管中。但相较于原始喷氨格栅,混入喷氨圆管的空气大幅减少。烟气出口 NH3质量分数漫衍如图 7(b)所示,总体上看出口 NH3的漫衍比较均匀,仅保存小规模的低浓度区。

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图 5 优化后圆管上喷氨孔的安排

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图 6 优化后喷氨格栅温度漫衍

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       图 7 优化后喷氨格栅 NH3质量分数漫衍

       2.3 优化前后 NH3漫衍均匀性比照剖析

       为进一步了解喷氨格栅优化前后 NH3的漫衍均匀性,将对 NH3的摩尔浓度进行定量剖析。接纳变异系数 Cv这一参数作为权衡浓度均匀性的标准,并将其界说为

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       图 8 优化前后混淆烟道各流通截面 NH3摩尔浓度 Cv值的比照

       如图 1(a)所示,沿着混淆烟道气流偏向由上而下划分截取 x=0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m 和0.6 m 6 个截面, 并对其 NH3摩尔浓度的 Cv值进行比较剖析。图 8 为优化前后混淆烟道各流通截面NH3摩尔浓度 Cv值的比照, 可以看出无论优化前照旧优化后,NH3摩尔浓度的变异系数都是随着 x 值增大而减小,说明随着烟气与 NH3的不绝掺混,NH3的漫衍越来均匀;且经过 0.6 m 的混淆距离,两种结构下的 NH3变异系数 Cv值均减小一半,均匀性均提高了一倍。然而无论哪个截面,优化后的 Cv值均明显小于优化前,下降幅度在 10%~20%之间,说明仅通过调解喷梆径来优化喷氨格栅结构,NH3漫衍的均匀性就能大幅提高。

       3 结语

       基于原有的SCR喷氨格栅结构进行模拟剖析,发明其安排并不对理,喷氨入口截面和烟气出口均保存中间NH3质量分数较低,而两侧较高的现象,烟气与氨气混淆均匀性较差。通过缩小喷氨圆管上喷氨孔的直径并接纳两侧安排大孔径中间安排小孔径的形式,增强了氨气射流的穿透力,使烟气与氨气混淆均匀性获得大幅提升,并最终确立了较优化的喷氨格栅结构。
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