作者：李超 李旭东 尹华
第一作者单位：中冶焦耐（大连）工程技术有限公司
焦炉烟道气具有低温、含硫、高氮等明显的行业特征，其排放须执行生态环境部等五部委联合印发的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》（环大气［2019］35号）超低排放标准。采用活性炭法脱硫脱硝整体工艺技术处理焦炉烟道气具有无副产物的优势，但必须解决脱硝效率低的问题。为此，中冶焦耐与中科院过程所共同研发焦炉烟气活性炭法脱硫脱硝工艺及装备技术，通过理论研究、小试实验、中试实验等工作，开发了活性炭法脱硫脱硝两段式吸附塔结构。
焦炉烟道气首先在活性炭法脱硫脱硝两段式吸附塔的下段进行烟气脱硫，然后与喷入塔内的氨空混合气混合，再经过上段活性炭层进行脱硝。该过程为典型的非流态化颗粒移动填充床气固传质、传热过程，由于焦炉烟道气与氨空混合气流量差异巨大，保证氨空混合气与烟气混合的均匀性成为实现高效脱硝的关键。为此，需要开展对两段式吸附塔内喷氨结构仿真模拟的研究，应用CFD数值计算方法，研究氨空混合气均匀分布及有限空间内大差异流量-浓度状态下与焦炉烟道气的均匀混合技术，通过对吸附塔不同结构喷氨装置工况运行状态进行模拟分析，优化设计喷氨结构，从而实现焦炉烟道气超低排放。
1 建立计算模型
1.1 ►几何模型的确定
焦炉烟道气经下段活性炭层脱硫后，将向上进入上段活性炭层，在进入上段活性炭层之前，需要将氨空混合气喷入烟道气中并与烟道气充分混合均匀后再进入上段活性炭层。为此，在两段式吸附塔上段与下段之间须设置喷氨装置。喷氨装置为多排平行布置带有氨空混合气出口的管道，氨空混合气从管道的一端接入。为实现高效脱硝，需要保证氨空混合气在喷氨管的长度方向上均匀分布，同时还要保证氨空混合气与通过喷氨管的烟道气混合均匀。
为此，需要模拟本装置工作范围内的氨浓度分布状态，建立1：1喷氨装置内外三维流场模型，选取本装置具有代表性的局部区域作为喷氨装置的设计模型，如图1所示。
图1 喷氨装置设计模型
1.2►模型的简化
根据喷氨装置的实际运行环境，在满足工程要求条件下，为了便于模拟计算，对该装置结构以及烟气状态进行了假设和简化。
1.2.1结构简化
（1）因喷氨管管壁厚度对流场影响很小，忽略管壁厚度。
（2）忽略结构件（支撑件）对流场的影响。
1.2.2物理问题简化
（1）因吸附塔壁面散热对气流扩散影响很小，假设系统绝热。
（2）不考虑系统漏风。
（3）两种气流混合过程为定常流动。
（4）两种气体物性均按不可压缩理想气体考虑。
（5）因化学反应与气流分布及气体混合是否均匀无关，不考虑化学反应影响。
1.3►采用的数学模型
数学模型的选取主要考虑以下几个方面的因素：流动现象的分析、计算模型的使用范围、计算结果的准确性、计算所需的时间等。
氨空混合气与焦炉烟道气混合过程比较复杂，涉及两种气流间湍流扩散传质、传热过程，故采用组分输运模型（SpeciesTransport）对喷氨装置工作状态进行模拟计算，具体如下。
1.4►网格划分
网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟和分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错。喷氨管管口直径较小，且数量众多，目前网格划分软件无法对全部流场进行六面体网格划分。因此，采用四面体加六面体混合网格划分，将喷氨管管口附件网格进行细化处理，最大程度兼顾模型的重要几何特征及计算精度。为了提高计算精度，采用混合网格对喷氨内外流场区域进行网格划分。网格数量为2 853万。计算过程应用Fluent软件，在高性能计算机群（HPC）512CPU核心并行计算环境下完成。
2 边界条件及相关物性
2.1►建模条件
根据中试实验研究结果，采用如表1所示的边界条件。
表1 边界条件
2.2►计算采用的物料物性参数
计算所采用的物料物性参数如表2所示。
表2 物料物性参数表
计算采用k-e湍流模型，整个模型的入口边界条件根据烟气量、温度等相关参数进行设定。烟道壁面设定为绝热条件，喷氨管壁设为固壁传热、烟气为不可压缩流体理想气体，入口边界条件全部设定为质量入口，出口全部为压力出口。流场计算采用稳态计算方法，求解方法全部采用二阶迎风导数。
3 仿真计算结果
3.1►喷氨管的供气方式选择
单侧供气时喷氨管喷口处流线如图2所示。由图2可以看出，喷氨管内混合氨气沿管轴向流动，逐渐经喷氨口喷出，靠近喷氨管入口侧喷口气流速度远高于喷氨管端部，且流线偏向混合氨气在管内的流动方向，严重影响氨气与烟气的混合效果，因此将喷氨装置改为双侧同时供气方式。改成双侧同时供气方式后的流线图如图3所示。
图2 单侧供气时喷氨管喷口处流线图
图3 双侧供气时喷氨管喷口处流线图
由图3可以看出，改为双侧同时供气方式后，喷氨管喷口气流速度均匀性得到大幅改善，有利于提高氨气在有限空间内快速的均匀分布。
3.2►喷氨孔排布优化
按照常规设计，喷氨孔在喷氨管长度方向是均匀分布的。为了验证喷氨管喷氨的均匀性，进行了喷氨管喷氨计算，结果如图4所示。由图4可以看出，在喷氨孔均匀分布的情况下，喷出氨气的浓度在喷氨管长度方向是不均匀的，最高浓度集中在喷氨管的中间部位。根据该计算结果，对喷氨管上喷氨孔的布置进行了反复改进，利用模拟计算验证改进的效果，最终得到了优化的喷氨孔布置。计算结果如图5所示。从图5可以看出，喷出氨气的浓度在喷氨管长度方向的均匀程度得到了很大改善。
图4 喷氨管管口均匀排布时氨气浓度分布图
图5 喷氨管管口排布优化后氨气浓度分布图
4小结
对于大差异流量-浓度气体混合及气流均布技术，可采用CFD仿真技术辅助进行研究，实现相关设备及装置在结构及性能上的优化，为新技术开发提供了很好的研发手段。
14011002000166号