技术
1.3 模型简化与假设
根据SNCR装置的实际运行环境,在满足工程要求的条件下,为了便于模拟计算,本文对SNCR装置结构以及烟气状况做如下假设和简化:
(1)烟气各组分与还原剂气体为不可压缩的理想气体;
(2)流动是定常流动;
(3)流体物性参数为常数;
(4)不考虑系统漏风､灰分的影响;
(5)水冷壁简化为光滑换热壁面,烟道壁面设定为水冷壁导热;
(6)大型换热元件,如蒸发管束､高温过热器､低温过热器及省煤器等简化为均匀多孔换热介质｡
1.4 数学模型
1.4.1气相湍流模型
本文采用欧拉法,将SNCR装置烟气流场的烟气作为连续相处理,通用方程为:
式中,(ρ)/t为瞬态项;div(ρυ)为对流项;div(Γgrad)为扩散项;S为广义源项;Γ为广义扩散系数;是通用变量;t为时间,s;υ为速度,m˙s-1;ρ为烟气密度,kg˙m-3｡在连续方程､动量方程和能量方程中,S和Γ分别代表1､υ､T和0､μ､K/c等常数和变量｡其中,T为温度,K;μ为动力粘度,Pa˙s;K为传热系数,W˙m-2˙K-1;c为比热容,J˙kg-1˙K-1｡
根据SNCR装置内烟气流动时湍流的情况,本文采用Realizablek-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动｡
1.4.2多孔介质模型
多孔介质的动量方程是在标准的动量方程基础上附加动量源项而得到的｡源项由两部分组成,一部分是粘性损失项,另一部分是内部损失项｡
式中,Si为i方向上的动量源项,Pa˙m-1;υj为j向流体速度分量,m˙s-1;μ为流动动力粘度,Pa˙s;ρ为密度,kg˙m-3;D､C分别为粘性和惯性阻力系数矩阵｡
对于大型换热元件的压降,可简化为简单的均匀多孔介质,其压降损失公式如下:
式中,α为介质渗透性;C2为内部阻力因子,可看成是沿着流动方向每一单位长度的损失系数｡
1.4.3物质输运模型
由于SNCR中的流动介质有烟气和氨气,这就涉及到考虑流动中物质的混合情况,因此采用混合物的物质输运模型]来模拟这一情况｡通过求解描述每种组成物质的对流､扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运,可以模拟多种同时发生的化学反应｡当选择解化学物质的守恒方程时,通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数Yi守恒方程采用以下的通用形式:
式中,Ji为物质i的质量扩散,由浓度梯度产生;Ri为化学反应的净产生速率;Pi为附加速率｡
式中,Di,m为混合物第i种物质的扩散系数｡
在系统中出现N种物质时,需要解N-1个这种形式的方程｡由于质量分数的和必须为1,第N种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到｡为了使数值误差最小,第N种物质必须选择质量分数最大的物质｡
1.4.4化学反应动力学模型
SNCR过程中不同反应物之间的相互影响和转化主要为气相反应,考虑k种反应物之间的反应,其反应体系可以表述为:
式中,I为反应机理模型中基元反应总数,K为反应体系中反应物总数,νki为基元反应化学当量数,xk为第k种反应物｡
第k种反应物的产率ωk就是涉及到第k种反应物的反应方程对其生成和消除作用的总和:
其中第i个反应的反应速率Vi为:
式中,Xk为第k种反应物的摩尔浓度,kf,r和kf,r分别为第i个反应的正向和逆向反应速率常数｡
第i个反应的反应速率常数遵守阿累尼乌斯定律:
式中,指前因子Ai､温度指数βt和活化能Ei由已有的典型反应机理模型中获得｡
1.5 网格划分及边界条件
为提高计算精度与计算速度,网格划分采用局部加密的方式,网络剖分总单元为220万左右(如图3所示),经网络质量检查符合计算要求｡
设定还原剂为质量浓度22%的氨水,NOx原始浓度250mg˙m-3(标态,6%O2),SNCR脱硝效率为60%,氨氮摩尔比NSR为2.0mol/mol;考虑到热负荷波动引起锅炉负荷变化,在33(低负荷)~75(高负荷)t˙h-1之间均能满足NOx排放限值100mg˙m-3要求,氨逃逸质量浓度不大于8mg˙m-3,高低负荷对应烟气量分别为85808m3˙h-1和37756m3˙h-1,氨水用量分别为108.11kg˙h-1和31.86kg˙h-1｡
2 结果与讨论
2.1 速度分布
图4描述了75t˙h-1高负荷和33t˙h-1低负荷时整个系统的速度分布｡整体而言,高低负荷时的炉膛内的烟气速度流场分布较为均匀,尤其在蒸发管束受热面以下的炉膛流速更为均匀,为在炉膛内喷入氨水进行SNCR反应提供了有利条件｡
在75t˙h-1负荷工况下,总一､二次风量为85808m3˙h-1,炉膛竖直部分截面为4645mm×5905mm,炉膛有效截面积为25.97m2,上二次风口以上稀相区的烟气流速为3.83m˙s-1,与模拟数值一致,与设计烟速4.0m˙s-1和实际运行烟速区间3.5~4.2m˙s-1相符合｡若在标高15m和16.2m布置喷枪,至蒸发管束入口空间距离大于8m,喷入的NH3可在时候脱硝反应的850℃~980℃温度区间停留时间2s以上,满足SNCR的最佳反应时间要求｡
