基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，包括如下步驟：步驟1，在fluent中導入循環(huán)流化床鍋爐的物理模型；步驟2，在物理模型中設定邊界條件，進行數(shù)值模擬得到煙氣從爐膛至分離器的溫度以及速度場，并在溫度及速度場滿足第一條件的位置中布置SNCR噴槍；步驟3，根據(jù)SNCR噴槍位置計算出還原劑在煙道內的混合效果；步驟4，判斷混合效果是否滿足噴槍設置的第二條件，若不滿足則繼續(xù)調整直至確定SNCR噴槍的位置；步驟5，根據(jù)確定的SNCR噴槍位置，在循環(huán)流化床鍋爐對應位置開設SNCR噴槍。本發(fā)明方法考慮到了還原劑在煙道內的化學反應和將燃燒反應，提高了循環(huán)流化床鍋爐的脫硝效果。
【專利說明】基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及循環(huán)流化床SNCR技術，尤其涉及一種基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法。

【背景技術】
[0002]SNCR技術是將含有氨基的還原劑噴入爐膛內，一般在900?1100°C高溫區(qū)域與NOx發(fā)生氧化還原反應，來達到脫除NOx的目的。這種方法該方法以鍋爐爐膛或煙道為反應器，可通過對鍋爐的改造實現(xiàn)，改造周期短，工程難度小。SNCR的還原劑一般為氨、氨水或尿素等。
[0003]一個典型的SNCR工藝系統(tǒng)主要是由還原劑的儲藏、輸送和噴射裝置組成，包括還原劑儲存罐、輸送泵、管道、噴射器和相關的控制系統(tǒng)以及NOx在線監(jiān)測系統(tǒng)。其中噴射系統(tǒng)是整個工藝系統(tǒng)中最重要的部分，還原劑的噴入系統(tǒng)必須將還原劑噴射到鍋爐內最有效的部位即爐膛中溫度適合還原反應的區(qū)域，并有足夠的停留時間保證還原劑與煙氣的充分混合和還原反應。
[0004]SNCR還原劑噴射方式分成兩種:一種是將一種長噴槍直接插入煙道內，沿著噴槍的軸向開了多個噴嘴，將氮還原劑噴入爐內；另外一種還原劑噴射方式是將墻式噴嘴伸入循環(huán)流化床爐膛出口煙道內，噴射氮還原劑。長式噴槍因需要水冷卻，幾控制復雜，投資成本高，維護困難，因此較為常用的是墻式噴槍。
[0005]墻式噴槍在循環(huán)流化床上各個位置的布置方式不同會導致脫硝效果差別極大，因此，在布置噴槍之前，首先需要進行模擬?，F(xiàn)有的模擬方式存在以下缺點:
[0006]1、未考慮還原劑在煙道內的化學反應。由于化學反應是瞬間的過程，還原劑顆粒在煙道內的蒸發(fā)、混合為主要的過程，混合效果好，脫硝效果就較好，所以模型的計算簡化了化學反應這一過程。簡化縮短了模擬計算時間，但由于沒有考慮化學反應，必然存在一定的誤差。
[0007]2、忽略了燃燒反應。燃燒反應是一個復雜的化學反應過程，SNCR流場模擬中只考慮還原劑的混合效果，所以沒有考慮燃燒，設定在固定的1200K的煙道溫度環(huán)境下，還原劑顆粒的蒸發(fā)和混合。認為煙道的溫度是均勻的。通過比較有溫度梯度的煙道溫度場下，還原劑的蒸發(fā)混合及流場，發(fā)現(xiàn)混合效果不變，但均勻溫度場的二次流比有溫度梯度的二次流要小一些。


【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于fluent軟件確定循環(huán)流化床鍋爐上SNCR噴槍位置的方法，通過這種方法的計算，可以得到分離器進口煙道內詳細的煙氣速度分布，還原劑射流的跡線圖，以及煙道截面和分離器出口還原劑顆粒的混合情況。
[0009]一種基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，包括如下步驟:
[0010]步驟1，在fluent中導入循環(huán)流化床鍋爐的物理模型，該物理模型包括依次連接的爐膛、煙道和分離器；
[0011 ] 步驟2，在所述物理模型中設定邊界條件，進行數(shù)值模擬得到煙氣從爐膛至分離器的溫度以及速度場，并在溫度及速度場滿足第一條件的位置中布置SNCR噴槍；
[0012]步驟3，根據(jù)SNCR噴槍位置計算出還原劑在煙道內的混合效果；
[0013]步驟4，判斷混合效果是否滿足噴槍設置的第二條件:
[0014]是，確定SNCR噴槍的位置；
[0015]否則，在滿足第一條件下調整SNCR噴槍至其他位置，并重復步驟3，直至確定SNCR噴槍的位置；
[0016]步驟5，根據(jù)確定的SNCR噴槍位置，在循環(huán)流化床鍋爐對應位置開設SNCR噴槍。
[0017]本發(fā)明通過對鍋爐爐膛到分離器出口建立物理模型，并細化煙道處的網格，模擬煙道流場以及還原劑在煙道內的混合效果，通過調整位置確定最佳的噴槍布置位置，從而保證所建立的流化床鍋爐具有最佳的脫硝效果。
[0018]為了使SNCR噴槍在循環(huán)流化床上能夠靈活調整位置，同時兼顧計算開銷，作為優(yōu)選，步驟I中，建立的物理模型經過網格劃分，網格劃分的數(shù)目為2800000至3200000個。
[0019]在建立好循環(huán)硫化床鍋爐模型后，通過設置邊界條件來對輸入煙氣在循環(huán)流化床鍋爐中的流動進行數(shù)值模擬，從而得到滿足邊界條件的煙氣在循環(huán)流化床鍋爐模型中的流動模擬狀態(tài)，可選的，步驟2中，邊界條件包括壁面邊界的導熱性、煙氣的入口速度、煙氣溫度以及水力直徑，其中壁面邊界為絕熱方式。其他的邊界條件，視具體的工程條件設定。通過設置這些邊界條件，模擬煙氣在煙道中的流動，從而能夠得到煙道出口處溫度和速度場。
[0020]在設置好邊界條件后，在循環(huán)流化床鍋爐中來模擬煙氣的流動，可選的，步驟2中，數(shù)值模擬的方法為，根據(jù)邊界條件建立基本控制方程以及湍流模型，并對基本控制方程和湍流模型進行求解，得到煙氣的溫度及速度場。其中，通過湍流模型可以用于模擬出煙氣在旋風分離器作用下的旋流，根據(jù)基本控制方程以及湍流模型所求解得到的速度場包括速度分布以及煙氣顆粒的流動軌跡。
[0021]基本控制方程受物理守恒定律支配，包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。基本控制方程求解方式有多種，例如SIMPLEC算法、SIMPLER算法等，可選的，基本控制方程通過SMPLE算法進行求解。
[0022]湍流模型的種類很多，優(yōu)選的，湍流模型為帶有旋流修正的RNG k-ε模型。這種湍流模型考慮了漩渦流動的影響，可以較好地模擬旋流流動。
[0023]煙氣在循環(huán)流化床鍋爐中不同位置的溫度和速度場各不相同，而溫度需要落在脫硝溫度的區(qū)間內，同時，煙氣的速度大小由循環(huán)流化床鍋爐煙氣量決定，速度大還原劑射流長，還原劑停留時間短，導致混合效果不理想。因此，優(yōu)選的，所述第一條件為，脫硝反應溫度區(qū)間在850?950攝氏度，煙氣的速度矢量對還原劑的穿透性有正加速度作用。
[0024]在滿足第一條件之后，初步選定了 SNCR噴槍的位置，再利用SNCR噴槍模擬還原劑與煙氣混合，從而計算出混合效果?？蛇x的，步驟3中，采用離散相模型來進行煙道混合計算，通過在離散相模型中輸入還原劑的噴射點位置，噴射方向、射流速度、射流質量流量、顆粒的粒徑分布來獲取混合效果，所述混合效果包括還原劑在煙道中的相對濃度分布、覆蓋面積以及還原劑的顆粒軌跡。此處噴射點位置、噴射方向、射流速度通過設置SNCR噴槍參數(shù)得到。利用離散相計算出的還原劑在煙道內的濃度分布計算出該截面的平均濃度，再將截面上每個點的濃度與截面的平均濃度相比，得到截面上該點的相對濃度。通過判斷截面上各點相對濃度情況，進行第二條件的判斷。
[0025]優(yōu)選的，在步驟4中，第二條件為以下兩者，且兩個條件需同時滿足:
[0026]a.在煙道出口截面處，還原劑的相對濃度為20%?180%的覆蓋面積與出口截面積的比例大于70% ；
[0027]b.還原劑的顆粒軌跡與煙道壁面不存在接觸。
[0028]在截面中還原劑相對濃度在20%至180%范圍的覆蓋面積大于70%，判定為還原劑與煙氣充分混合，同時還原劑顆粒軌跡與煙道壁面不存在接觸，則保證還原劑不會沖刷壁面，對煙道壁面形成破壞。
[0029]本發(fā)明方法考慮到了還原劑在煙道內的化學反應，并通過設置邊界條件、湍流模型等，將燃燒反應加入SNCR噴槍位置設置的考慮中，以改進循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍的設置方式，提高了循環(huán)流化床鍋爐的脫硝效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明一個實施例的循環(huán)流化床爐膛到分離器出口的物理模型；
[0031]圖2為本發(fā)明當前實施例的鍋爐截面，其中顯示爐膛出口煙道處的煙氣速度分布；
[0032]圖3為本發(fā)明當前實施例還原劑射流的粒子軌跡圖；
[0033]圖4為本發(fā)明當前實施例中煙道截面上還原劑顆粒的混合情況；
[0034]圖5為本發(fā)明當前實施例的方法流程圖。

【具體實施方式】
[0035]現(xiàn)結合實施例及說明書附圖，對本發(fā)明進行詳細的解釋。
[0036]如圖5所示，本發(fā)明一個實施例的步驟如下:
[0037]步驟1，在fluent中導入循環(huán)流化床鍋爐的物理模型，該物理模型包括依次連接的爐膛、煙道和分離器。
[0038]其中物理模型是預先建立的，如圖1所示，所建立的物理模型包括依次連接的爐膛、爐膛出口煙道、旋風分離器(分離器)3個計算區(qū)域，各個計算區(qū)域經過網格劃分。爐膛出口煙道是通常布置噴槍的位置，氣速也較大，為了計算的準確性，網格較細，劃分數(shù)目為2800000 ?3200000 個。
[0039]步驟2，在所述物理模型中設定邊界條件，進行數(shù)值模擬得到煙氣從爐膛至分離器的溫度以及速度場，并在溫度及速度場滿足第一條件的位置中布置SNCR噴槍。
[0040]邊界條件包括壁面邊界的導熱性、煙氣的入口速度、煙氣溫度以及水力直徑，其中壁面邊界為絕熱方式。鍋爐為150t/h的循化流化床鍋爐，煙氣量為173186Nm3/h，旋風分離器進口尺寸約為1495*2500mm(減去積灰厚度800mm)，設定爐膛出口溫度為1143K。數(shù)值模擬利用基本控制方程結合湍流模型進行計算。
[0041]在進行數(shù)值模擬的過程中將混合煙氣看作多種理想不可壓氣體間混合。湍流模型采用RNG k-ε模型。計算出煙氣流動跡線和速度場。
[0042]基本控制方程包括質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。流體流動受物理守恒定律支配。
[0043]質量守恒方程:
[0044]逆+魅+繼+繼=()
a & βν &
[0045]動量守恒方程:
r π 〔，(/)") d(puii)d{ οιιν) d(puw) d.Cu ^ d , du、 d.Cu λ dp η
[0046]Α +—^- + ———-=—(μ—) + — {μ—) + — (//—) — ~- + Su
Ot OXOV VZ OX OX OV ον VZ CZ OX
d{pv) d(pvu) d{pvv) d(pvvv) d.1v、 d.dvΛ d.d\\ ?μ n
[0047]~^+^r^ + ^r^+ ' =-(//-) + -(//-) + -(//-)-^+ S
at ox oy OZ ox ax oy oy οζ οζ oy
d(ow) d(owu) d(owv) d(oww) d , ?ννΝ d , ?π\(zhòng) d , d\-\\ dp ^
[0048]+ ———-+ —~~- + ———-=—(// ——)+ ——(// ——)+ — (u ——)■■■■■丄 + Siv
dtoxayοζ ox ox ay oy cz oz dz
[0049]能量守恒方程:
c(pT) c(puT)d(pn'T) o k cT d k d丁 i k cT
[0050]a +^^^ + ^^^ + ^^-= I(—+T) + I(—T) +.^
atoxayoz ox c:.ax* cv C11 ov oz cn cz
^P^ p ^p
[0051]Cp為煙氣比熱容，μ是煙氣流體的動力粘度系數(shù)，P是煙氣密度，P是煙氣的壓強，xyz表示各點的坐標位置，t表示時間；SU、Sv、Sw表示廣義源項，與微元體的受力和粘性有關，St為粘性耗散項，U、V、w是煙氣在三個坐標方向的速度。
[0052]其中基本控制方程采用SMPLE算法。
[0053]湍流模型選擇帶有旋流修正的RNG k-ε模型，考慮了漩渦流動的影響，可以較好地模擬旋流流動。湍流流動方程如下:
d{pk) Gipkui) Gdk ^
[0054]~I—H --= -^ t^kMefr— + Gk + ρε
OtOXi οχ, “ Xj
[0055]￥ + _ =令生]+ 手(?/4
OtUX-ox.X- KK
1j LJ _
[0056]其中，Ui和Uj表示在I和j方向上的速度，Xi以及Xj表示距離，
[0057]μ eff = μ + μ t, μ 表示流體動力粘度，μ(= pCμ ? Cle = Cls -■,'+丄,/11)，
j(du.du -
n = (2E.E.r--主流的時均應變率乓=0.5Pt是預設的湍流粘性系數(shù)，
? v 1J <:i} 0、VX ； VXj J，
fluent在迭代過程中計算得到瑞流能k,耗散率ε ,由于平均速度梯度引起的瑞流能產生項6,，(^、(11;、(^、(^、(^、0、η。為fluent根據(jù)所選擇的湍流模型進行的默認賦值。
[0058]通過以上兩個方程計算出煙氣的溫度以及速度場。如圖2所示，分離器進口煙道的平均速度為36?39m/s，圖2中爐膛到分離器內各處的數(shù)字表示速度，單位為m/s。根據(jù)計算結果，將噴槍布置在滿足第一條件的位置。第一條件為，在現(xiàn)場施工條件允許的前提下，煙氣的溫度范圍在850?950攝氏度，煙氣的速度矢量方向有利于還原劑在煙道內的穿透性。
[0059]步驟3，根據(jù)SNCR噴槍位置計算出還原劑在煙道內的混合效果。
[0060]還原劑在煙氣中的混合采用離散相模型。
[0061]通過在離散相模型中輸入噴槍參數(shù)來獲取混合效果，包括還原劑的噴射點位置，噴射方向、射流速度、射流質量流量、顆粒的粒徑分布。
[0062]步驟4，判斷混合效果是否滿足噴槍設置的第二條件:
[0063]是，確定SNCR噴槍的位置；
[0064]否則，在滿足第一條件下調整SNCR噴槍至其他位置，并重復步驟3，直至確定SNCR噴槍的位置。
[0065]其中第二條件包括兩者，需要同時滿足:
[0066]a.在煙道出口截面處，還原劑的相對濃度為20%?180%的覆蓋面積與出口截面積的比例大于70% ；
[0067]b.還原劑的顆粒軌跡與煙道壁面不存在接觸。
[0068]步驟3中計算得到還原劑射流的顆粒軌跡(如圖3)和煙道截面處還原劑顆粒的混合效果(如圖4)。圖3中顯示射流從噴口(煙道入口處)出來到射流末端(分離器)停留時間依次延長，射流末端停留時間最長，即左側最上端所表示的數(shù)值，停留時間的單位為
S。還原劑在煙道內最長的停留時間需0.099s。圖4中各處的數(shù)字表示截面處還原劑的相對濃度百分比，如圖4，該截面處還原劑相對濃度大于20%的覆蓋面積為91.6%，還原劑相對濃度20%?180%的覆蓋面積為85.5%，且還原劑顆粒軌跡與煙道壁面不存在接觸。這種噴槍參數(shù)下，采用的位置較為合理，使還原劑顆粒得到了較好的混合，保證了脫硝效率。若效果不好，通過調整噴槍參數(shù)和噴槍位置，使模擬結果得到最優(yōu)解。
[0069]步驟5，根據(jù)確定的SNCR噴槍位置，在循環(huán)流化床鍋爐對應位置開設SNCR噴槍。
[0070]本發(fā)明方法考慮到了還原劑在煙道內的化學反應，并通過設置邊界條件、湍流模型等，將燃燒反應加入SNCR噴槍位置設置的考慮中，以改進循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍的設置方式，提高了循環(huán)流化床鍋爐的脫硝效果。
【權利要求】
1.一種基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，在fluent中導入循環(huán)流化床鍋爐的物理模型，該物理模型包括依次連接的爐膛、煙道和分離器； 步驟2，在所述物理模型中設定邊界條件，進行數(shù)值模擬得到煙氣從爐膛至分離器的溫度以及速度場，并在溫度及速度場滿足第一條件的位置中布置SNCR噴槍； 步驟3，根據(jù)SNCR噴槍位置計算出還原劑在煙道內的混合效果； 步驟4，判斷混合效果是否滿足噴槍設置的第二條件: 是，確定SNCR噴槍的位置； 否則，在滿足第一條件下調整SNCR噴槍至其他位置，并重復步驟3，直至確定SNCR噴槍的位置； 步驟5，根據(jù)確定的SNCR噴槍位置，在循環(huán)流化床鍋爐對應位置開設SNCR噴槍。
2.如權利要求1所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，步驟I中，建立的物理模型經過網格劃分，網格劃分的數(shù)目為2800000至3200000個。
3.如權利要求1或2所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，步驟2中，邊界條件包括壁面邊界的導熱性、煙氣的入口速度、煙氣溫度以及水力直徑，其中壁面邊界為絕熱方式。
4.如權利要求3所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，步驟2中，數(shù)值模擬的方法為，根據(jù)邊界條件建立基本控制方程以及湍流模型，并對基本控制方程和湍流模型進行求解，得到煙氣的溫度及速度場。
5.如權利要求4所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，基本控制方程通過SIMPLE算法進行求解。
6.如權利要求4所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，湍流模型為帶有旋流修正的RNG k-ε模型。
7.如權利要求1或2所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，所述第一條件為，脫硝反應溫度區(qū)間在850?950攝氏度，煙氣的速度矢量對還原劑的穿透性有正加速度作用。
8.如權利要求3所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，步驟3中，采用離散相模型來進行混合計算，通過在離散相模型中輸入還原劑的噴射點位置，噴射方向、射流速度、射流質量流量、顆粒的粒徑分布來獲取混合效果，所述混合效果包括還原劑在煙道中的相對濃度、覆蓋面積以及還原劑的顆粒軌跡。
9.如權利要求1或2所述基于fluent設置循環(huán)流化床鍋爐的SNCR噴槍方法，其特征在于，在步驟4中，第二條件為以下兩者，且兩個條件需同時滿足: a.在煙道出口截面處，還原劑的相對濃度為20%?180%的覆蓋面積與出口截面積的比例大于70% ； b.還原劑的顆粒軌跡與煙道壁面不存在接觸。
【文檔編號】B01D53/79GK104147916SQ201410373323
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月31日 優(yōu)先權日:2014年7月31日
【發(fā)明者】王岳軍, 楊黎, 莫建松, 劉學炎, 吳忠標 申請人:浙江天藍環(huán)保技術股份有限公司