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SNCR处理烟气中NOx排放的CFD分析
作者:管理员    发布于:2016-05-27 01:41:14    文字:【】【】【

众所周知,火力发电厂产生大量的工业废气污染,政府法规致力于减少污染气体的排放,其中包括NOxSO2。NOx的生成有几种形式:热力型,快速型以及燃料型,NOx的生成机理非常复杂,它发生在燃烧过程的各个阶段。当今有多种降低减少NOx的方法,本文主要介绍SNCR控制烟气排放,即选择性非催化还原法。

    SNCR过程中,氨基还原剂被注入到烟气中,通过化学反应减少NOx含量,其转化效率最高可达50%-70%SNCR设备的运行依赖于喷嘴提供可控流量及持续喷雾,温度和烟气分布是影响SNCR的重要因素,还原剂与NOX的反应发生在8501100 oC温度内,效率由试剂和SNCR的运行条件决定。超过这个温度,氨气会发生热分解,脱硝效率降低;低于这个温度,氨逃逸或泄露会增加。喷射还原剂液滴的目标是使液滴停留超过1,当停留时间超过0.3秒,就能保证有充足的反应时间。氨逃逸或泄露是SNCR控制常见的问题,这是由于计算流体力学(CFD)分析方法喷射温度低于之前提到的温度窗口,或者每次注射的流量太大,导致分布不均匀造成的。

在此案例分析中,CFD来模拟煤燃烧过程中NOx的值以及尿素还原NOx的值。对原始喷嘴位置进行调整,优化污染净化过程以及降低氨逃逸。现有的技术依赖喷嘴输送尿素或液氨到烟气里。喷嘴提供可控流量、可预测液滴大小以及持续喷雾,这些数据对于控制氨逃逸至关重要。CFD能很好地预测流动状态,优化废气净化过程。对液体喷雾器选择和优化,首先要建立液滴尺寸、速度和喷雾分布数据以及烟气的流量、烟气和炉膛温度,来确定烟气速度均匀度和转化效率。

喷嘴中液体流动过程如下:液体进入漩涡室,正切注入出口孔。液体经过高速剪切,分解成小颗粒,这些小颗粒经历湍流和再次剪切形成雾化。为了找到CFD模拟的最佳理论上的喷射位置,为测量液滴大小,喷嘴安装了三维旋转测试装置,采用两维多普勒微粒测试仪测试液滴大小和速度。


为了实现CFD模拟,需要使用Rosin-Rammler分布函数把原始测量的液滴数据转换成粒径分布函数,输入到CFD模型中作为计算依据。

在欧拉-拉格朗日模型中,煤分子被设为未预混,煤和气体的关键参数由实验确定。CFD模型设置了第一层和第二层进风的边界条件。炉膛的出口被定义为恒压边界条件,燃烧室和喷枪墙被认定为刚性绝热状态。子模型包括:k-ε湍流模型、DPMDiscrete Phase Model)拉格朗日法离散相模型(拉格朗日法离散相模型用来追踪煤分子)、尿素液滴采用组分传递模型。模拟过程中,通过追踪液滴的轨迹来预测喷射形式。在DPM模型下,用牛顿第二定律数值积分计算液滴的轨迹,阻力系数从Moris and Alexander定律开始计算。计算液滴的速率后,液滴的位置是轨迹方程的集合。喷嘴里喷出的液滴初始形态由试验数据确定并作为模拟输入条件,气相、燃烧和颗粒物轨迹被设置为稳态。由于燃烧产生的高温,采用P-1辐射模型模拟炉膛和颗粒辐射。


CFD可以确定喷射器的位置,从而获得最佳的脱硝效果。结果展示了烟气以及煤粉运动轨迹避免回流和漩涡。气体速度是确定喷射位置的重要参数,跟喷射到系统中液滴相比,气体速度更高。模拟需要确定速度峰值和进气口速度。在炉子正上方(气流入口处)有一个带循环流的高速度区域,喷射器要布置在循环流的外面。另外一个影响脱硝效率的因素是温度。喷枪应被布置在温度场和速度场都满足要求的地方,此模型中,喷射液体由7%的尿素和93%的水构成。由粒子轨迹结果表明,喷雾粒子蒸发没有接触墙壁,温度和NOx浓度分布对还原剂有影响。研究发现,无论是水或者尿素还原剂,基本没有墙壁湿润或是墙壁积灰这样潜在的问题。结果表明:喷射尿素后,NOx的平均浓度降低了44%,同时,出口氨气的泄露值可以忽略不计。

论文来源:

Urea Injection Design Analysis for NOx Control using CFD, Kathleen Brown, Wojciech Kalata and Rudolf J. Schick, Spraying Systems Co., 10th International Conference on Combustion and Energy Utilization, Mugla, Turkey, May 2010. 


脚注信息
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