一种基于cfd的sncr-scr脱硝工艺补氨设计方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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) 502/503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。
[0003] 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NOx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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 一种基于CFD的SNCR-SCR脱硝工艺补氨设计方法，包括如下步骤：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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； [0010] 步骤4,判断混合效果是否满足补氨装置的必要充分条件：
[0011] 是，确定补氨装置的设计；
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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SMPLEC算法、SMPLER算法等，可选的，基本 控制方程通过SMPLE算法进行求解。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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：
[0023] a.在催化剂入口处，氨氮比均方差要小于5% ;
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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