叶绿生
东莞巨正源科技有限公司 广东东莞523000
摘 要:为了进一步减少烟气排放中氮氧化物,为烟气余热锅炉配置了脱硝段,以实现降低烟气污染的目的。提供工艺流程模拟，同时在锅炉厂家详细设计协助下,对脱硝注氨系统设备本体结构布局进行了优化,降低了氨的消耗量和逃逸。在工艺和设备改进后,最终烟气排放中氮氧化物含量大大降低,并且氨消耗量也有明显减少,有效增加企业生产的经济效益和安全环保效益。
关键词:丙烷脱氢装置；氮氧化物；烟气余热锅炉
引 言
东莞巨正源科技有限公司120万吨/年丙烷脱氢制高性能聚丙烯项目一期工程余热锅炉设计装置操作时间不少于8000小时/年，操作弹性为60%～110%。该工艺采用的固定床反应器，脱氢催化剂使用一段时间以后会结焦，所以新鲜空气经过加热炉加热后，高温空气对催化剂进行烧焦再生再热，最后的废气经过余热锅炉，锅炉用于回收再生空气加热炉里的余热来生产高压蒸汽并预热再生空气。
一、工艺流程简述
反应器再生后的高温烟道气进入废热锅炉（EA-1004），以回收烟道气中的余热。烟道气经过高压蒸汽过热段后，之后经过高温空气预热段后，进入SCR脱硝床，以脱除其中的NOX，然后依次通过高压蒸汽发生段、再生空气预热器、省煤器回收余热后，从烟囱排放至大气。
为了达到更好脱硝效果，氨气与高温空气在静态混合器中混合，用于混合的高温空气量不大于9t/h，混合均匀后含氨高温稀释空气分别进入氨格栅各分支。通过氨格栅均匀与烟气混合后进入脱硝催化剂进行脱硝反应。
二、流场模拟技术目标
在第一层催化剂入口处烟气与氨气混合充分，且均匀分布于脱硝反应器中。
（1）满足脱硝催化剂参数要求；
（2）在110%工况，脱硝喷氨格栅压力损失不大于130Pa；
（3）催化剂层前的速度分布要求：相对标准偏差小于15%；
（4）催化剂层前的温度分布要求：最大绝对偏差±10℃；
（5）催化剂层前的NOx/NH3比率分布要求：相对标准偏差小于5%；（6）氨气正常用量最大值按100kg/h；
（6）氨格栅入口NOX含量最大值按1000mg/Nm3（Dry@3%O2），NOx中的NO2浓度≤80%；
（7）氨和空气混合后进喷氨格栅管道内总量不高于9t/h。
三、数值模拟试验
3.1实施方案
全尺寸模型中包含了烟道、扰流管、喷射器、换热器和催化剂，它们的建模方案分别是：
（1）烟道、扰流管和喷射器采用内流场全尺寸建模；
（2）换热器采用多孔介质简化，考虑它的压降；
（3）催化剂采用多孔介质简化，考虑它的压降；
（4）选用SST k-w湍流模型，烟气入口为速度入口条件，出口为压力出口；
（5）考虑NH3组分扩散。由于各工况下的流场具有相似性，因此数值模拟只针对110%的工况负荷进行。
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图1 计算模型示意图
3.2网格布置
数值模拟中建立的网格约2000万个点数，网格布置如图2所示：
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图2 网格布置示意图
3.3数学模型
模拟过程中数学模型的选取及边界条件的处理方式主要包括以下几个方面：
（1）选用 k-w sst 湍流双方程模型对湍流进行简化模拟；
（2）导流管层采用全尺寸建模；
（3）喷氨管及混流板采用全尺寸建模；
（4）换热器及催化剂采用多孔介质代替，考虑其压力损失；
（5）烟气入口采用速度入口边界条件，出口定义为压力出口；
（6）模型计算工况选 110%负荷工况。
该模型用有限体积法在离散的网格上进行求解。由于流速较快，求解过程中耦合进湍流求解模块。以下列出将要用到的方程。
3.3.1连续性和动量方程
质量守恒方程又称连续性方程：
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该方程是质量守恒方程的一般形式，它适用于可压流动和不可压流动（本文计算为不可压缩流计算）。源项S m是从分散的二级相中加入到连续相的质量（比方说由于液滴的蒸发），源项也可以是任何的自定义源项。
3.3.2湍流模型
湍流出现在速度变动的地方。这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。由于这种波动是小尺度且是高频率的，所以在实际工程计算中如果直接模拟对计算机的要求很高。实际上瞬时控制方程可能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为的改变尺度，这样修改后的方程耗费较少的计算机。但是，修改后的方程可能包含有我们所不知的变量，湍流模型需要用已知变量来确定这些变量。
3.3.3多孔介质条件
催化剂层用多孔介质模型来模拟催化剂层的阻流和减压特性。
（1）多孔介质的动量方程
多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项(Darcy)，另一个是内部损失项：
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其中S i是i向(x,y,或者z)动量源项，D和C是规定的矩阵。在多孔介质单元中，动量损失对于压力梯度有贡献，压降和流体速度（或速度方阵）成比例。
（2）多孔介质的Darcy定律
通过多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C2可以考虑为零。忽略对流加速以及扩散，多孔介质模型简化为Darcy定律：
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（3）多孔介质的内部损失
在高速流动中，多孔介质动量方程中的常数C2提供了多孔介质内部损失的矫正。这一常数可以看成沿着流动方向每一单位长度的损失系数，因此允许压降指定为动压头的函数。如果我们模拟的是穿孔板，有时可以消除渗透项而只是用内部损失项，从而得到下面的多孔介质简化方程：
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（4）多孔介质中的湍流处理
在多孔介质中，默认的情况下FLUENT会解湍流量的标准守恒方程。因此，在这种默认的方法中，介质中的湍流被这样处理：固体介质对湍流的生成和耗散速度没有影响。如果介质的渗透性足够大，而且介质的几何尺度和湍流涡的尺度没有相互作用，这样的假设是合适的。
（5）定义粘性和内部阻力系数
粘性阻力中指定每个方向的粘性阻力系数1/a，在内部阻力中指定每一个方向上的内部阻力系数C2。如果你使用锥指定方法，方向1为锥轴方向，方向2为垂直于锥表面（对于圆柱就是径向）方向，方向3为圆周方向。
在三维问题中可能有三种可能的系数：在各向同性算例中，所有方向上的阻力系数都是相等的。在三维问题中只有两个方向上的系数相等，第三个方向上的阻力系数和前两个不等，或者在二维问题中两个方向上的系数不等，必须准确的指定每一个方向上的系数。
3.3.4 边界条件设置
数值模拟边界条件设置为（110%负荷条件下）：烟道入口：质量流量1014.039t/h，温度572℃；喷射泵入口质量流量，34.50t/h，温度433℃；含氨高温稀释空气入口：质量流量9t/h，温度270℃。
四、仿真计算结果
首先按照原始设计CAD图建立完整的三维模型，计算原始设计的NH3混合均匀性等性能。
4.1原始设计计算结果
改造前喷射泵废气单侧进气计算结构：SCR入口面NH3平均浓度：3.21e-04 mol/molSCR入口面NH3浓度方差：1.12e-04 mol/molSCR入口面NH3浓度相对偏差：1.12e-04/3.21e-04=34.9%>5%NH3浓度相对偏差过大，不符合技术指标。
SCR入口面速度分布截面结果：SCR入口面平均速度：5.81m/sSCR入口面速度方差：0.22m/sSCR入口面速度相对偏差：0.22/5.81=3.78%<15%总体来看速度是满足要求。催化剂进口面最小温度：418.0℃；催化剂进口面最高温度：423.7℃；催化剂进口面温度偏差：423.7-418.0=5.7℃ < 10℃。由于喷射泵气体集中在中间，导致气流温度分布不是很均匀。
喷氨管前方压力：13917.3 Pa；喷氨管后方压力：13832.8 Pa；喷氨管压降：13917.3-13832.8=84.5 Pa从换热器出口到催化剂入口的区域为喷氨管的安装区域，喷氨格栅在110%负荷下，该压降为84.5 Pa。
4.2改进设计方案1计算结果
由于原始设计不能满足催化剂的运行要求，调整喷氨格栅的设计，改用上下喷口，并在喷氨格栅后方增加了混流板催化剂进口面平均速度：5.76 m/s；催化剂进口面速度方差：0.078 m/s；催化剂进口面速度偏差：0.078/5.76=1.35%<15%；催化剂进口面 NH3 平均浓度； 6.82e-6 kmol/m3；催化剂进口面 NH3 浓度方差： 6.77e-07 kmol/m3；催化剂进口面速度偏差：6.77e-07/6.82e-6=9.92%>5%；催化剂进口面最小温度：418.4℃；催化剂进口面最高温度：420.0℃；催化剂进口面温度偏差：420.0-418.4=1.6℃<10℃。喷氨管前方压力：13962 Pa；喷氨管后方压力：13850 Pa；喷氨管压降：13962-13850=112 Pa从计算结果可以看出，增加混流板之后，可以略微增加催化剂入口面的氨浓度，但是还是不能满足催化剂运行的要求。
4.3改进设计方案2计算结果
通过将催化剂和喷氨格栅后移，同时拉开催化剂与喷氨格栅的距离，并且在喷氨格栅前方加装VOC催化剂，这个设计的计算结果可以满足脱硝催化剂的运行要求。从计算结果来看，速度经过VOC催化剂后，会变得比较均匀，而喷氨格栅均匀布置，以及喷氨格栅后方的混流板可以使得氨混合均匀性更加高。
催化剂进口面平均速度：5.69 m/s；催化剂进口面速度方差：0.15 m/s；催化剂进口面速度偏差：0.15/5.69=2.63%<15%；催化剂进口面NH3平均浓度；6.66e-6 kmol/m3；催化剂进口面NH3浓度方差：2.32e-07 kmol/m3；催化剂进口面速度偏差：2.32e-07/6.66e-6=3.48%<5%；催化剂进口面最高温度：420.2℃；催化剂进口面最小温度：418.3℃；催化剂进口面温度偏差：420.2-418.3=1.9℃<10℃。喷氨管前方压力：13538 Pa；喷氨管后方压力：13419 Pa；喷氨管压降：13538-13419=119 Pa。
通过计算原始设计可以发现，原始设计的氨均匀性和速度均匀性不能满足催化剂的运行要求。通过将催化剂和喷氨格栅后移，并且在喷氨格栅前方加装 VOC 催化剂，这个设计的计算结果可以满足脱硝催化剂的运行要求。
五、结束语
综上所述，根据余热锅炉图纸建立全尺寸模型，通过将催化剂和喷氨格栅后移，同时拉开催化剂与喷氨格栅的距离，并且在喷氨格栅前方加装VOC催化剂的设计，在110%负荷下达到催化剂运行的设计要求，根据仿真计算结果显示，方案2中各项指标均远优于原设计，而且布局合理，改造施工工作量减小，难度小，施工周期短，现场操作控制简单。同时，如果VOC催化剂没有安装，对流场影响也不会过大。
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