烟道尿素热解数值模拟方法与流程

1.本发明涉及烟气脱硝技术领域，具体涉及一种烟道尿素热解数值模拟方法。


背景技术：

2.在烟气脱硝技术中，选择性催化还原法(scr)脱硝工艺已经被广泛的应用，这种工艺中，尿素作为还原剂被热解或水解制成氨气喷入烟道中，氨气在烟气中于氮氧化物混合均匀后，流经scr催化剂系统，在催化剂的催化作用下，氮氧化物被脱除。
3.燃机出口的过渡烟道中，将尿素喷入到该段烟道，利用烟气的热量使尿素热解，并随着烟气的流动与烟气中的氮氧化物充分混合均匀，从而降低烟气中的氮氧化物含量及氨逃逸量。
4.烟道温度、尿素喷射参数以及喷嘴布置方式对烟道内氨气的分布以及尿素的热解效率均存在影响，相关技术中大多依靠经验调整上述参数导致参数设定不准确影响热解系统的运行和效率。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种烟道尿素热解数值模拟方法，可以提高尿素在烟道内的热分解效率和系统的脱硝效率。
6.本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法，包括：建立烟道几何模型；建立烟道数值模拟模型；设定所述数值模拟模型边界条件和收敛条件；根据所述边界条件和收敛条件对所述数值模拟模型进行模拟计算得出模拟计算结果。
7.本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法，可以提高尿素在烟道内的热分解效率和系统的脱硝效率。
8.在一些实施例中，所述数值模拟模型包括尿素溶液蒸发模型，所述尿素溶液蒸发模型包括液相模型和气相模型。
9.在一些实施例中，所述液相模型为：
[0010][0011]
式中：yu为尿素的质量分数，t为时间，m
vap
为尿素液滴蒸发质量，md为尿素液滴质量，所述气相模型为：
[0012][0013][0014]
式中：md为尿素液滴质量，m
vap
为尿素液滴蒸发质量，c
p.d
为液滴比热；cp
.vap.ref
为蒸发后气相比热，t为时间，dd为液滴直径；ρg.ref蒸发后气相密度，γg.ref为扩散系数，sh*
[0015]
为舍伍德数，bm为斯伯丁数，tg为气体温度，td为液滴温度，hvap为蒸发后气相焓值。
[0016]
在一些实施例中，所述数值模拟模型还包括尿素离散相模型，根据拉格朗日坐法将尿素液体与尿素气相耦合形成所述尿素离散相模型。
[0017]
在一些实施例中，所述数值模拟模型还包括尿素动力模型，所述尿素动力模型的动力学方程式包括：
[0018]
水从尿素溶液雾滴中蒸发出来：
[0019]
co(nh2)2
·
xh2o(溶液)
→
co(nh2)2(固或气) xh2o，
[0020]
尿素热解成氨气和异氰酸
[0021]
co(nh2)2(固或气)
→
hnco(气) nh3(气)，
[0022]
异氰酸发生水解反应生成氨气
[0023]
hnco(气) h2o(气)
→
nh3(气) co2(气)。
[0024]
在一些实施例中，所述数值模拟模型还包括反应器模型，所述反应器模型为理想混合反应器模型。
[0025]
在一些实施例中，所述反应器模型中包括质量控制方程和能量控制方程，所述质量控制方程为：
[0026][0027]
式中：m-反应物质量流速/g
·
s-1
，y
k-第k种组分的质量分数，-第k种组分反应器入口处的质量分数，w
k-第k种组分的生产速率/mol
·
(m3·
s)-1
，w
k-第k种组分的摩尔质量/g
·
mol-1
，v-反应器容积/m3，
[0028]
所述能量控制方程为：
[0029][0030]
式中：h
k-第k种组分的比焓/j
·
g-1
；-第k种组分反应器入口处的比焓/j
·
g-1
；q反应器的散热速率/j
·
s-1
。
[0031]
在一些实施例中，所述边界条件包括烟气流速、烟气温度、烟气全压平均值、尿素溶液浓度、尿素溶液流量或尿素颗粒粒径中至少一种，所述收敛条件为连续性数值及组分浓度残差低于10-6
。
[0032]
在一些实施例中，所述烟气流速为40～70m/s、烟气温度为350℃～700℃、烟气全压平均值为2000～4000pa、尿素溶液浓度为10～50％、尿素溶液流量为1～20kg/h、尿素颗粒粒径为10微米～120微米。
[0033]
在一些实施例中，所述烟道尿素热解数值模拟方法还包括将所述数值模拟结果与实验结果比对，若数值模拟结果与所述实验结果误差值大于10％，则调整边界条件的参数，和/或，调整几何模型参数并重新进行数值模拟计算。
附图说明
[0034]
图1是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法中烟道尿素热解模型示意。
[0035]
图2是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法中反应器模型示意图。
[0036]
图3是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的不同温度下尿素热解产物随时间的变化曲线。
[0037]
图4是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的尿素热解效率与烟气温度和停留时间的关系曲线。
[0038]
图5是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的烟道几何模型。
[0039]
图6是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的尿素颗粒在烟道中运行轨迹示意图。
[0040]
图7是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的烟道流线图。
[0041]
图8是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的尿素体积浓度分布云图。
[0042]
图9是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的nh3体积浓度分布云图。
[0043]
图10是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的hnco体积浓度分布云图。
[0044]
图11是本发明另一实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的尿素颗粒在烟道中运行轨迹示意图。
[0045]
图12是本发明另一实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的烟道流线图。
[0046]
图13是本发明另一实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的尿素体积浓度分布云图。
[0047]
图14是本发明另一实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的nh3体积浓度分布云图。
[0048]
图15是本发明另一实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的hnco体积浓度分布云图。
[0049]
图16是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法中喷嘴的布置方法。
[0050]
图17是本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的流程图。
具体实施方式
[0051]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0052]
本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法，包括建立烟道几何模型。
[0053]
例如，可以根据燃气轮机出口烟道、余热锅炉和锅炉内部换热模块的实际尺寸建立烟道几何模型。
[0054]
如图16所示，烟道内喷嘴的布置方式如图16所示，图16中所示的黑色圆圈为喷嘴。
[0055]
建立烟道数值模拟模型，设定数值模拟模型边界条件和收敛条件，根据边界条件和收敛条件对数值模拟模型进行模拟计算得出模拟计算结果。
[0056]
本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法，通过对烟道内尿素热解过程进行数值模拟，确定最优的尿素热解参数，与相关技术中依靠经验判断，可以提高尿素在烟道内的热分解效率和系统的脱硝效率。
[0057]
在一些实施例中，数值模拟模型包括尿素溶液蒸发模型，尿素溶液蒸发模型包括液相模型和气相模型。
[0058]
需要说明的是，尿素溶液在液相向气相过渡的过程中还存在相变过程，假定尿素
水溶液液滴表面蒸发潜热焓值与纯水液滴表面蒸发焓值一致，试验测量证实尿素水溶液液滴与纯水比较无明显差异。
[0059]
在一些实施例中，液相模型为：
[0060][0061]
式中：yu为尿素的质量分数，t为时间，m
vap
为尿素液滴蒸发质量，md为尿素液滴质量，所述气相模型为：
[0062][0063][0064]
式中：md为尿素液滴质量，m
vap
为尿素液滴蒸发质量，c
p.d
为液滴比热；c
p.vap.ref
为蒸发后气相比热，t为时间，dd为液滴直径；ρg.ref蒸发后气相密度，γg.ref为扩散系数，sh*
[0065]
为舍伍德数，bm为斯伯丁数，tg为气体温度，td为液滴温度，hvap为蒸发后气相焓值。
[0066]
本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法中的液相模型和气相模型，可以预测尿素溶液液滴加热蒸发的过程，并且还可减小数值模拟的计算量，提高数值模拟的效率和准确性。
[0067]
需要说明的是，尿素在133℃熔融，并进一步开始热分解为nh3和hnco，在152℃时完全热分解为nh3和hnco。尿素热分解路径为固态(液态)尿素先蒸发为气相nh2conh2，然后气相尿素分解为nh3和hnc0，分解模型如图1所示，尿素的热分解受限于动力学参数，因此尿素会在固态(熔融液态)保持一段时间，气态尿素在高温环境中并不稳定，假定气相尿素转化分解为nh3和hnco，相对尿素蒸发过程是一个快速反应过程。hnco水解反应方程是气相均相反应。
[0068]
在一些实施例中，数值模拟模型还包括尿素离散相模型，根据拉格朗日坐法将尿素液体与尿素气相耦合形成尿素离散相模型。
[0069]
需要说明的是，对尿素溶液液滴在气相中运动的处理，采用拉格朗日坐标系下跟踪的方式，同时由于气相湍流与颗粒相之间的相互作用，认为颗粒相符合随机轨道模型，故在积分计算颗粒轨道时始终利用轨道上各点的流体瞬时流速，湍流扩散由涡流耗散模型定义，在尿素液滴与气相两相耦合之间，考虑了尿素的动量、质量和热量。
[0070]
在一些实施例中，数值模拟模型还包括尿素动力模型，尿素动力模型的动力学方程式包括：
[0071]
水从尿素溶液雾滴中蒸发出来：
[0072]
co(nh2)2
·
xh20(溶液)
→
co(nh2)2(固或气) xh2o，
[0073]
尿素热解成氨气和异氰酸
[0074]
co(nh2)2(固或气)
→
hnco(气) nh3(气)，
[0075]
异氰酸发生水解反应生成氨气
[0076]
hnco(气) h2o(气)
→
nh3(气) co2(气)。
[0077]
在一些实施例中，数值模拟模型还包括反应器模型，反应器模型为理想混合反应
器模型。
[0078]
具体地，如图2所示，反应器模型是开口0维反应器，存在供反应物进入的反应器入口以及供生成物排除的反应器出口，是一种假设反应器内各反应物质量、能量、动量均充分理想分布的反应器模型。
[0079]
反应器模型假设反应物进入到反应器之后，瞬间即在反应器内完全均匀的分散，如果反应物非单一纯净物而是多种组分的混合物，各组分均会立即充分均匀地分散，达到充分混合的效果，所以反应器内各组分之间是理想混合状态。
[0080]
本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法，基于该反应器模型中各反应物理想混合的特征，该模型反应器内的反应过程并不受混合因素的影响而是完全由化学反应速率所控制，提高了数值模拟结果的准确性。
[0081]
在一些实施例中，反应器模型中包括质量控制方程和能量控制方程，质量控制方程为：
[0082][0083]
式中：m-反应物质量流速/g
·
s-1
，y
k-第k种组分的质量分数，-第k种组分反应器入口处的质量分数，w
k-第k种组分的生产速率/mol
·
(m3·
s)-1
，w
k-第k种组分的摩尔质量/g
·
mol-1
，v-反应器容积/m3，
[0084]
能量控制方程为：
[0085][0086]
式中：h
k-第k种组分的比焓/j
·
g-1
；-第k种组分反应器入口处的比焓/j
·
g-1
；q反应器的散热速率/j
·
s-1
。
[0087]
在一些实施例中，边界条件包括烟气流速、烟气温度、烟气全压平均值、尿素溶液浓度、尿素溶液流量或尿素颗粒粒径中至少一种，收敛条件为连续性数值及组分浓度残差低于10-6
。
[0088]
需要说明的是，当对反应器模型进行数值模拟计算时，则无需计算尿素颗粒粒径和烟气温度，从而简化模拟计算过程，提高模拟计算的效率。
[0089]
在一些实施例中，烟气流速为40～70m/s、烟气温度为350℃～700℃、烟气全压平均值为2000～4000pa、尿素溶液浓度为10～50％、尿素溶液流量为1～20kg/h、尿素颗粒粒径为10微米～120微米。
[0090]
例如，烟气流速为40m/s、50m/s、55m/s、60m/s、65m/s、70m/s，烟气温度可以为350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、700℃，烟气全压平均值为2000pa、2500pa、3000pa、4000pa，尿素溶液浓度为10％、20％、30％、40％、50％，尿素溶液流量为1kg/h、5kg/h、10kg/h、12.5kg/h、15kg/h、20kg/h，尿素颗粒粒径为10微米、20微米、30微米、50微米、70微米、100微米、110微米、120微米。
[0091]
在一些实施例中，烟道尿素热解数值模拟方法还包括将数值模拟结果与实验结果比对，若数值模拟结果与实验结果误差值大于10％，则调整边界条件的参数并重新进行数值模拟计算。
[0092]
需要说明的是，通过将数值模拟结果与实测实验结果进行对比，若数值模拟结果与实验结果的误差小于10％，则将数值模拟结果作为工业应用参数，若干数值模拟结果与实验结果的误差超过10％，则调整边界条件的参数选择，和/或调整几何模型参数并重新进行数值模拟计算。
[0093]
例如，可以通过单独调整边界条件参数的选择并进行重新模拟计算，或者，单独调整几何模型参数并重新进行数值模拟计算，例如，通过调整几何模型的网格划分或者调整几何模型的尺寸参数或者调整几何模型的比例参数，或者，同事调整边界条件的参数选择和调整几何模型参数并重新进行数值模拟计算。
[0094]
本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法，通过将数值模拟结果与实验结果进行比对，并及时调整数值模拟中的参数，提高数值模拟的准确性以及在工业应用中提高尿素的热分解效率和系统的脱硝效率。
[0095]
下面参照图3、图4、图6至图10描述本发明实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的数值模拟结果。
[0096]
如图3所示，在烟气温度为300℃、350℃和400℃下的尿素热解产物随时间的变化曲线，从图中可以看到，在300℃、350℃和400℃下，随着停留时间的增加，尿素的体积分数快速降低，异氰酸和氨气的体积分数快速增加。停留时间在0.1s-0.4s之间，尿素体积分数降低到幅度较大，同时异氰酸和氨气体积分数增加的幅度较大。0.4s以后，尿素体积分数缓慢降低，异氰酸和氨气体积分数缓慢增加。从图中也可以看到，异氰酸和氨气的体积分数相等，这说明尿素在热解生成异氰酸和氨气后，异氰酸在1.7s的反应时间内没有发生水解反应生成氨气。
[0097]
烟气温度为450℃和500℃下的尿素热解产物随时间的变化曲线，从图中可以看到，在450℃和500℃下，随着停留时间的增加，尿素的体积分数快速降低，异氰酸和氨气的体积分数快速增加。停留时间在0.1s-0.3s之间，尿素体积分数降低到幅度较大，同时异氰酸和氨气体积分数增加的幅度较大。0.3s以后，尿素体积分数缓慢降低，异氰酸和氨气体积分数缓慢增加。从图中也可以看到，异氰酸和氨气的体积分数相等，这说明尿素在热解生成异氰酸和氨气后，异氰酸在1.7s的反应时间内没有发生水解反应生成氨气。
[0098]
在烟气温度为650℃下的尿素热解产物随时间的变化曲线，从图中可以看到，在650℃下，随着停留时间的增加，尿素的体积分数快速降低，异氰酸和氨气的体积分数快速增加。停留时间在0.1s-0.2s之间，尿素体积分数降低到幅度较大，同时异氰酸和氨气体积分数增加的幅度较大。0.2s以后，尿素体积分数缓慢降低，异氰酸和氨气体积分数缓慢增加。从图中也可以看到，异氰酸和氨气的体积分数相等，这说明尿素在热解生成异氰酸和氨气后，异氰酸在1.7s的反应时间内没有发生水解反应生成氨气。
[0099]
如图4所示，尿素热解效率随着烟气温度的升高(从300℃到650℃)而增加；随着停留时间的增加而增加。停留时间在0.5s以上时，尿素热解效率超过95％，并且在1.7s的停留时间里，尿素热解生成的异氰酸并未与烟气中的水发生水解反应。
[0100]
如图6至图10所示，系统处于满负荷工况，需要说明的是，满负荷工况按照冬季纯凝100％(机组最大出力)工况来计算，此时烟气温度为611℃，烟气成分按照实际烟气成分进行设置。
[0101]
可喷入的尿素溶液在高温烟气的加热下，尿素溶液中的水份在喷入烟道3米的距
离后即蒸发完毕，随着烟气的流动，气态尿素的浓度在逐渐减少，而nh3和hnco的浓度在逐渐增加。并且满工况下主要截面尿素转化率及产物浓度相对标准偏差统计如表1所示：
[0102]
表1：满工况主要截面尿素转化率及产物浓度相对标准偏差统计
[0103][0104]
从表1可以看出，在催化剂入口处尿素转化率达到了99.5％，nh3和hnco的浓度相对标准偏差较低。
[0105]
下面参照图11至图15描述本发明另一实施例的烟道尿素热解数值模拟方法的数值模拟结果。
[0106]
需要说明的是，如图11至图15所示，系统处于低负荷工况，低负荷工况按照冬季纯凝30％工况来计算，此时烟气温度为479.9℃，烟气成分按照实际烟气成分进行设置。
[0107]
尿素溶液中的水份在喷入烟道3米的距离后即蒸发完毕，随着烟气的流动，气态尿素的浓度在逐渐减少，而nh3和hnco的浓度在逐渐增加。并且低工况下主要截面尿素转化率及产物浓度相对标准偏差统计如表2所示：
[0108]
表2：低负荷主要截面尿素转化率及产物浓度相对标准偏差统计
[0109][0110]
从表2可以看到在催化剂入口处尿素转化率达到了99.6％，nh3和hnco的浓度相对标准偏差较低。
[0111]
模拟结果表明在300℃-650℃范围内，当停留时间达到0.5s以上时，尿素的热解效率在95％以上。并且在1.7s的停留时间里，尿素热解生成的异氰酸并未与烟气中的水发生水解反应。
[0112]
通过数值模拟方法对燃机出口烟道尿素直喷热解工艺进行的研究，模拟结果表明在燃机满负荷和冬季纯凝30％工况下，在催化剂入口处尿素转化率达到了99.5％，且采用将尿素热解喷枪插入烟道，按照等面积方法布置时，催化剂入口截面上nh3和hnco的浓度相对标准偏差较低。
[0113]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0114]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0115]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0116]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0117]
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0118]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。