熱解爐內(nèi)尿素溶液霧化分解的數(shù)值模擬

1、熱解爐內(nèi)尿素溶液霧化分解的數(shù)值模擬周子鵬，趙紅霞，韓吉田*（山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫工程系，濟(jì)南 250061）510152025303540摘要：基于 fluent 平臺(tái)，對(duì)熱解爐內(nèi)尿素溶液霧化、液滴與煙氣的混合過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。模擬結(jié)果表明，在溶液流量一定的前提下，液滴噴射速度的增大可以加速液滴蒸發(fā)，增大液滴的有效貫穿距離，有利于不同氣體組分的混合，但是強(qiáng)烈的擴(kuò)散降低了反應(yīng)物濃度不利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生的回流抑制了氨氣向出口的流動(dòng)；液滴粒徑的增大可以延長蒸發(fā)時(shí)間但降低了蒸發(fā)速率。隨液滴粒徑的增大，液滴穿透距離增大，液滴軌跡延長至反應(yīng)區(qū)域中心，增強(qiáng)了混合的均勻性，但是蒸發(fā)

2、速率的降低延緩了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，降低了氨氣的產(chǎn)量。關(guān)鍵詞：尿素溶液；霧化；熱解；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：x701the simulation on atomization and pyrolysis of urea solutionin pyrolyzing furnacezhou zipeng, zhao hongxia, han jitian(department of refrigeration and cryogenics, school of power and energy, shandong university,jinan 250061)abstract: in this pape

3、r the simulation on the process of urea solution spray and droplet-gas mixingin pyrolysis furnace is carried out based on fluent platform.the simulation results show thatwhen the the solution flow retains a certain value, the increase of liquid injection speed canaccelerate the droplet evaporation,

4、increases the spray droplet effective penetration distance and behelpful for the mixting of different gas composition. but strong diffusion reduces the reactantconcentration and suppress the chemical reaction. the backflow resulted from the diffusion stopsthe ammonia from flowing to the outlet. the

5、increase of the droplet size can extend theevaporation time but decrease the evaproation rate. along with the increase of the droplet size, thepenetration distance increases so that the droplet track extend to the reaction regional center,which enhances the mixed uniformity. however, the reduction o

6、f evaporation rate delays thechemical reaction and reduce the ammonia output.keywords: urea soltion; atomzation; pyrolysis; simulation0 引言nox 排放日益成為一個(gè)迫切需要解決的社會(huì)問題。電站鍋爐排放 nox 占大氣污染的重要部分,已經(jīng)成為固定的大氣污染源。目前脫除煙氣中氮氧化物方法主要包括選擇性催化還原(scr)和選擇性非催化還原(sncr)。選擇性催化還原( scr) 技術(shù)因其脫硝效率高、無二次污染, 故被世界上 80% 以上的煙氣脫硝系統(tǒng)所采用1。scr

7、 系統(tǒng)流程中脫硝還原劑的制備是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。鑒于還原劑的安全因素，尿素已經(jīng)越來越多的作為液氨和氨水的替代產(chǎn)品，廣泛的應(yīng)用于煙氣脫硝工程。但是尿素?zé)峤夥ㄖ瓢币踩菀壮霈F(xiàn)故障，比如熱解爐尾部積物導(dǎo)致制氨量不足等等2。關(guān)于這方面國內(nèi)已經(jīng)有了類似的研究，但大多是研究了尿素溶液噴射到爐膛內(nèi)熱解并與 no 進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)脫硝的整體過程，目前尚沒有對(duì)尿素溶液在熱解爐內(nèi)的熱解化學(xué)反應(yīng)和噴淋液滴的蒸發(fā)擴(kuò)散過程進(jìn)行詳細(xì)研究，沒有對(duì)熱解爐內(nèi)的氣體混合情況和制氨效率進(jìn)行預(yù)測。王海濤3等運(yùn)用 fluent 計(jì)算軟件模擬了液滴在高溫氣流中作者簡介：周子鵬，（1987-），男，碩士研究生，新能源與清潔能源方面。通信聯(lián)系人

8、：趙紅霞，（1977-），女，副教授，強(qiáng)化傳熱與可再生能源的利用。 e-mail:hongxiazhaojess-1-蒸發(fā)擴(kuò)散過程，研究了氣流流速、氣流溫度、液滴噴射速度、液滴噴射量以及液滴霧化粒徑45505560等因素對(duì)液滴蒸發(fā)和擴(kuò)散規(guī)律的影響。陳鎮(zhèn)超4等利用 cfd 軟件平臺(tái) ,采用數(shù)值模擬方法對(duì)噴入 100 mw 機(jī)組四角切圓煤粉鍋爐的霧化顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了研究,得出在 25m/s 速度下最佳噴入霧化粒徑在 0.30.5mm 之間。王智化5等對(duì)噴射的尿素溶液液滴與煙氣的混合過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，同時(shí)探討這一混合特性對(duì)脫硝率的影響。楊衛(wèi)娟6等進(jìn)行了對(duì)尿素?fù)诫s不同金屬氧化物熱解制取氨氣的實(shí)驗(yàn)

9、研究，比較了不同氧化物作為床料催化尿素水解制取氨氣的性能。李芳芳7等對(duì)選擇性非催化還原脫硝過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過與試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了建立的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，并研究了在不同的溫度、氨氮摩爾比條件下，噴射尿素溶液對(duì)脫硝效率和漏失氨的影響。本文進(jìn)行的研究主要是對(duì)熱解爐內(nèi)尿素溶液熱解化學(xué)反應(yīng)過程和噴淋液滴的蒸發(fā)擴(kuò)散過程，并不涉及之后進(jìn)行的脫硝化學(xué)反應(yīng)，其主要目的在于優(yōu)化熱解爐內(nèi)的氣體混合情況，提高出口的氨流量。本文建立了包含還原劑的噴射及其液滴的蒸發(fā)、湍流混合、熱傳遞等過程的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了液滴噴射速度、液滴粒徑和溫度場分布對(duì)混合程度的影響，得出了制氨量的變化趨勢和分布情況，為進(jìn)一步模擬工程實(shí)際

10、 sncr 過程的研究提供理論指導(dǎo)。1 計(jì)算對(duì)象和網(wǎng)格劃分熱解爐裝置采用圓柱形布置，如圖 1 所示。熱解段直徑為 2438mm，從煙氣入口到熱解裝置出口整體高度為 14480mm，熱解段部分高度為 6237mm，尿素溶液噴射層布置在熱解段上部，沿周向平均分布 6 個(gè)噴槍，噴槍的布置形式如圖 2 所示。本文按照熱解爐實(shí)際尺寸在 gambit 中建立模型。整個(gè)計(jì)算區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，間距5mm,，對(duì)尿素噴射區(qū)域進(jìn)行局部加密，進(jìn)而生成體網(wǎng)格，計(jì)算域約 345000 網(wǎng)格，尿素噴入裝置由于尺寸相對(duì)熱解爐尺寸很小，簡化成點(diǎn)處理。65圖 1 幾何模型示意圖fig.1 geometric model dia

11、gram2 模型選擇與設(shè)定圖 2 噴槍布置形式示意圖fig.2 nozzle arrangement diagram70對(duì)于熱解爐內(nèi)的尿素溶液霧化熱解過程的模擬工作涉及到湍流流動(dòng)、氣液兩相流、傳熱傳質(zhì)、液滴蒸發(fā)揮發(fā)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多方面的知識(shí)內(nèi)容，是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、化學(xué)-2-過程。本文采用基本質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程、rng k-雙方程湍流模型、p1 輻射模型、隨機(jī)軌道模型等對(duì)不包括化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的兩相流基本過程進(jìn)行求解，液滴霧化蒸發(fā)采用噴嘴模型模擬，化學(xué)反應(yīng)采用物質(zhì)輸運(yùn)及反應(yīng)方程模型模擬。7580852.1 湍流模型高溫?zé)煔饬鲃?dòng)和溶液噴射所產(chǎn)生的氣相流動(dòng)是強(qiáng)烈的湍流。本文采用了 rng

12、k-模型，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn) k-湍流模型的進(jìn)一步改善，包含了浮力產(chǎn)生/消耗項(xiàng)、有效速度模型、漩渦修正因子和 prandtl 反面影響因子，可以更精確計(jì)算有效雷諾數(shù)(渦漩尺度)對(duì)湍流輸運(yùn)的影響，對(duì)低雷諾數(shù)和近壁處的流動(dòng)也有較好的預(yù)測效果2.2 輻射傳熱模型輻射是能量傳遞的一種形式，特別是在燃燒系統(tǒng)中，輻射過程更是一種重要的傳熱方式。對(duì)于熱解爐內(nèi)高達(dá) 650的高溫?zé)煔鈦碚f，輻射換熱是不容忽視的，輻射對(duì)其他參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在能量方程中的代表輻射換熱的源項(xiàng)。對(duì)于爐內(nèi)輻射換熱的計(jì)算，本文根據(jù)光學(xué)深度(l) 選擇了簡單實(shí)用的 p-1 輻射模型,p-1 輻射模型是 p-n 模型中最簡單的類型。p-n 模型的出發(fā)點(diǎn)

13、是把輻射強(qiáng)度展開成為正交的球諧函數(shù)，且出于簡化僅使用了展開式的前 4 項(xiàng)，同時(shí)考慮到顆粒相與氣相之間的輻射，得到的能量方程源項(xiàng)計(jì)算式如下： q rad = 4 a(t 4 / ) + e p + (a + a p )g（1）式中，e p 為顆粒的等效輻射，a 和 ap 為氣體和顆粒的等效吸收系數(shù)，g 為入射強(qiáng)度。90951002.3 離散相模型對(duì)于尿素液滴、煙氣的兩相流動(dòng)，本文采用的是離散相模型 dpm（discrete phasemodel），即在拉格朗日坐標(biāo)系下處理液滴相，在歐拉坐標(biāo)系處理氣相。由于對(duì)液體的噴射來說，無論是顆粒的噴射角度還是其噴出時(shí)間都是隨機(jī)分布的，因此本文認(rèn)為液滴在爐內(nèi)的

14、運(yùn)動(dòng)符合隨機(jī)軌道模型，并耦合了兩相間的相互作用，在沿著顆粒軌道的積分計(jì)算過程中，計(jì)算顆粒軌道方程中的流體速度為瞬時(shí)速度。由于混合過程中液滴不斷接受輻射熱而蒸發(fā)，因此必須考慮液滴顆粒與輻射之間的相互作用和離散相與連續(xù)相的傳熱傳質(zhì)耦合計(jì)算。2.4 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理尿素溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 55%，同時(shí)需保持 50的溫度來防止結(jié)晶。50的尿素溶液被噴入熱解爐中進(jìn)行熱解反應(yīng)，尿素溶液的小液滴主要在 315到 538之間的溫度下進(jìn)行熱解反應(yīng)同時(shí)伴隨著蒸發(fā)。煙氣加熱使尿素溶液分解主要反應(yīng)為：co(nh2)2(aq) + h2o(l)2nh3(g) +co2(g)該反應(yīng)速率常數(shù)為 k= 9925exp(-20980

15、)(cal/mol)/rt8（2）尿素即開始分解，在 300速率非?？欤蛩胤纸夥磻?yīng)已基本完全9。因此，本文采用的化105反應(yīng)活化能 e r =8.78107 jkmol-1。尿素的熱解屬于吸熱反應(yīng)，但是在 fluent 物性材料中只存在氣態(tài)尿素，而本模擬中尿素發(fā)生反應(yīng)的狀態(tài)應(yīng)為溶液態(tài)，因此為保證化學(xué)反應(yīng)反應(yīng)熱的準(zhǔn)確性，應(yīng)對(duì)反應(yīng)物和生成物的標(biāo)準(zhǔn)焓進(jìn)行確認(rèn)修改。-3-。有水的環(huán)境下在 130以上時(shí)學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下：指數(shù)前因子 a r =6.131010m3s -1k- kmol-1；溫度指數(shù)=0；2.5 物質(zhì)輸運(yùn)及反應(yīng)模型110尿素?zé)峤夂退獾幕瘜W(xué)反應(yīng)采用湍流渦耗散概念(edc)模型進(jìn)行模擬

16、。它是基于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在不連續(xù)的湍動(dòng)能耗散區(qū)這樣的物理假定而發(fā)展起來的，能在湍流反應(yīng)流動(dòng)中合并詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。edc 模型模擬化學(xué)反應(yīng)時(shí)，其基本思想是假定反應(yīng)發(fā)生在小的湍流結(jié)構(gòu)中，此結(jié)構(gòu)稱為良好尺度10。良好尺度的容積比率按下式模擬：2 k 34（3）115式中：c 為容積比率常數(shù)，取 2.1377；為運(yùn)動(dòng)黏度。此模型認(rèn)為物質(zhì)在好的結(jié)構(gòu)中，1 2過時(shí)間尺度后開始進(jìn)行，其反應(yīng)速率受阿爾尼烏斯方程控制，反應(yīng)的前向速率常數(shù)可以通過阿爾尼烏斯公式計(jì)算得到：k f ,r = ar t exp( e r rt )（4）120125130式中：a r 為指數(shù)前因子；為溫度指數(shù)；e r 為反應(yīng)活化能；r

17、為氣體常數(shù)。2.6 還原劑噴射模型對(duì)于還原劑噴射霧化所采用的實(shí)際噴嘴模型的選擇，由于目前噴嘴的霧化機(jī)理尚未明確，且霧化過程涉及射流等非穩(wěn)態(tài)復(fù)雜計(jì)算，至今仍未能建立出通用性較好且又能夠較為準(zhǔn)確的描述該過程的數(shù)學(xué)模型。衡量霧化質(zhì)量的主要指標(biāo)有霧化粒度、霧化均勻度、霧化角和流量密度等。因此，為簡化計(jì)算設(shè)定噴嘴為 solid cone 類型,噴射初始速度為為 15，25，35，45m/s，液滴粒徑范圍為 50-120，120-240，100-500，300-700um,服從 rosin-rammler 分布，索特爾平均粒徑為 60，180，300，500m，噴射霧化角為 24流量密度根據(jù)邊界條件確定。

18、本文研究的尿素溶液濃度為 55%，尿素濃度較高，此時(shí)在處理溶液霧化蒸發(fā)時(shí)，不能完全近似為純水的噴射蒸發(fā)，因此本文將尿素溶液按照純尿素和純水的流量分為兩部分進(jìn)行噴射，采用在同一坐標(biāo)處同時(shí)設(shè)置兩個(gè)噴嘴分別噴射尿素和水，因 fluent 中霧化蒸發(fā)設(shè)定中只存在純凈物，因此噴淋的液滴都近似為水滴，而蒸發(fā)的產(chǎn)物則分別設(shè)定為水和尿素。對(duì)于霧化后液滴蒸發(fā)過程的計(jì)算，主要是通過對(duì)液滴的加熱、蒸發(fā)、沸騰過程的模擬來分別考慮。其中加熱過程使用一個(gè)簡單的熱平衡方程來關(guān)聯(lián)液滴溫度 tp（t）與液滴表面的對(duì)流傳熱：135m p c pdt pdt= ha p (t - t p )+ p a p r - tp)（5）式中

19、，mp 為液滴質(zhì)量，kg； cp 為液滴比熱 j/(kgk)； ap 為液滴表面積，m2；t 為連續(xù)相的當(dāng)?shù)販囟?；k，h 為對(duì)流換熱系數(shù)，w/(m2k)；為斯特芬波爾茲曼常數(shù)，5.67-8 2 4 g 4 1 4；t是連續(xù)相溫度，k。在這個(gè)方程中只有 h 是未知的，而通過 nu 數(shù)的求解則可以解決這個(gè)問題。140對(duì)于蒸發(fā)過程，液滴的蒸發(fā)量由梯度擴(kuò)散確定，即從液滴向氣相中的擴(kuò)散率與液滴和氣流主流之間的蒸汽濃度梯度相關(guān)聯(lián)11：n i = k c (ci, s - ci, )（6）式中，ni 為蒸氣的摩爾流率，kg mol/(m2s)；kc 為傳質(zhì)系數(shù)，m/s；ci,s 為液滴表面的蒸汽濃度，kg

20、mol/m3；ci,為氣相主流的蒸汽濃度，kg mol/m3。其中傳質(zhì)系數(shù) kc 可以-4- 經(jīng)過一個(gè)時(shí)間尺度 * = c ( ) 后開始反應(yīng)。其中 c 為時(shí)間尺度常數(shù)為 0.4082。反應(yīng)經(jīng)( 4 410 w/(m k )；p 是顆粒的發(fā)射率；r 是輻射溫度， 145通過舍伍德關(guān)系式求出。求出蒸汽的摩爾流率后，即可通過下式得出液滴的蒸發(fā)量。dm pdt= -n i a p m ,i式中，m，i 是 i 組分的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；mp 是液滴質(zhì)量，kg；ap 是液滴表面積，2液滴的溫度及所需要從煙氣中吸收的熱量：150m pc pdtpdt= hap (t - tp ) +dm pdth

21、 fg + p ap r - tp)（7）式中：cp 為液滴的定壓比熱，j/(kgk)；tp 為液滴的溫度，k；h 為對(duì)流傳熱系數(shù)，w/(m2k)；t為連續(xù)相溫度，k；hfg 為氣化潛熱，j/kg；dmp /dt 為蒸發(fā)速率，kg/s。將通過傳質(zhì)過程計(jì)算得到的液滴蒸發(fā)率，代入到液滴的傳熱過程就可以得到液滴的溫度以及氣相的溫度分布。155沸騰階段對(duì)于氣相（連續(xù)相）來說液滴蒸發(fā)所需要的熱量作為一個(gè)（負(fù)）源項(xiàng)作用到其能量方程中去。液滴蒸發(fā)之后就變成連續(xù)相進(jìn)入氣流主流中?？梢园凑障率絹碛?jì)算-dm pdth fg = ha p (t - t p )+ p a p ( r - tp)（8）對(duì)于此過程中液滴

22、的碰撞和破碎由于無法給出定量的數(shù)學(xué)描述，因而忽略了液滴之間的聚合和相互作用。對(duì)于 fluent 中的液滴蒸發(fā)沸騰模型均需要指定相關(guān)的參數(shù)，比如蒸發(fā)160165170開始溫度、沸點(diǎn)溫度、飽和蒸汽壓，這是進(jìn)行蒸發(fā)沸騰模擬的關(guān)鍵參數(shù)。水的蒸發(fā)每時(shí)每刻都在進(jìn)行，只是存在蒸發(fā)量的區(qū)別，所以，將蒸發(fā)開始溫度設(shè)定為室溫 293k，而在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)溫度為 373k，對(duì)于飽和蒸汽壓來說，由于缺乏足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文近似采用不同溫度下水的飽和蒸汽壓進(jìn)行多項(xiàng)式擬合出飽和蒸汽壓隨溫度變化的關(guān)系式。2.7 邊界條件根據(jù)給定的運(yùn)行條件，通過熱解室的煙氣流量為 5917m3/h，入口溫度為 650，尿素溶液的濃度為 5

23、5%，噴射時(shí)溶液溫度為 50，尿素溶液的流量為 858kg/h，其中干尿素流量為472kg/h。入口煙氣成分如下表 1 所示。入口設(shè)定為速度入口，出口為壓力出口，熱解爐壁面設(shè)定為絕熱邊界，對(duì)離散相設(shè)定為 reflect。表 1 入口煙氣成分tab.1 inlet flue gas composition煙氣成分co2o2n2h2o單位vol%vol%vol%vol%體積分?jǐn)?shù)13.9413.28474.3198.4563 計(jì)算結(jié)果分析3.1 爐內(nèi)氣體流動(dòng)情況175-5-m 。根據(jù)傳質(zhì)計(jì)算得到液滴的蒸發(fā)量(或蒸發(fā)率)，然后代入液滴的傳熱計(jì)算方程即可求解出( 4 44 4圖 3 噴射速度 25m/s

24、 霧化粒徑 60m 速度矢量圖fig.3 vector of spray velocity 25m/s,diameter 60m圖 4 噴射速度 45m/s 霧化粒徑 60m 速度矢量圖fig.4 vector of spray velocity 45m/s,diameter 60m180圖 5 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 180m 速度矢量圖圖 6 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 500m 速度矢量圖fig.5 vector of spray velocity 25m/s,diameter 180m fig.6vector of spray velocity 25m/s,diameter

25、 500m圖 3-6 給出的是不同噴射速度和霧化粒徑下熱解爐縱剖截面的速度矢量示意圖。從中可185190以看出，圖 3 中反應(yīng)區(qū)域內(nèi)主要形成了兩個(gè)漩渦回流區(qū)，分別在噴槍附近和反應(yīng)區(qū)中部，回流區(qū)的存在一方面可以延長尿素液滴在反應(yīng)區(qū)域的停留時(shí)間，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行的程度，增強(qiáng)煙氣的混合程度，另一方面導(dǎo)致液滴被局限在某些區(qū)域內(nèi)，而生成的氨氣也無法順利的隨主流煙氣排出，導(dǎo)致出口處氨氣濃度降低。如圖 4 中所示，由于噴射初速度較大，反應(yīng)區(qū)域內(nèi)形成了多個(gè)漩渦回流區(qū)，包括熱解爐出口也存在回流區(qū)，大量回流區(qū)的存在導(dǎo)致擴(kuò)散混合大大增強(qiáng)，而整個(gè)區(qū)域內(nèi)反應(yīng)物濃度降低，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，而且生成的氨氣被大量的回流區(qū)域阻滯，

26、不能順利的到達(dá)出口，導(dǎo)致氨氣含量降低。而圖 5 和 6 中，由于液滴粒徑較大，在反應(yīng)區(qū)域中央形成了一個(gè)較大的回流區(qū)，但是由于回流區(qū)域內(nèi)速度較小，在整個(gè)區(qū)域內(nèi)緩慢循環(huán)，產(chǎn)生的氨氣被阻滯在反應(yīng)區(qū)域中央無法到達(dá)熱解爐出口，熱解爐上部的氨氣含量低于-6-下部；而且由于回流區(qū)域較少，產(chǎn)生了多個(gè)流動(dòng)死區(qū)，導(dǎo)致死區(qū)內(nèi)氨氣無法排出，濃度很高。1953.2 爐內(nèi)的溫度分布圖 7 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 60m 溫度分布圖fig.7temperature distribution of 25m/s and 60m圖 8 噴射速度 45m/s 霧化粒徑 60m 溫度分布圖fig.8 temperature

27、distribution of 45m/s and 60m200圖 9 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 180m 溫度分布圖圖 10 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 500m 溫度分布圖fig.9 temperature distribution of 25m/s and 180m fig.10temperature distribution of 25m/s and 500m圖 7-10 所示為不同噴射速度、不同霧化粒徑下熱解爐內(nèi)的溫度場分布。通過對(duì)比可以看出高溫?zé)煔庠谶M(jìn)入熱解反應(yīng)區(qū)域前溫度基本不變，而在熱解反應(yīng)區(qū)域內(nèi)由于化學(xué)反應(yīng)和液205210滴蒸發(fā)吸熱產(chǎn)生了較大幅度的降溫，由于液滴噴射速

28、度和和霧化粒徑的不同形成了不同的溫度梯度。液滴噴射初速度為 45m/s 時(shí)，液滴軌跡延長，液滴大量進(jìn)入噴槍下方區(qū)域，并形成了大量的漩渦，加速了反應(yīng)物的混合擴(kuò)散過程，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域內(nèi)反應(yīng)物濃度降低，化學(xué)反應(yīng)速率降低，吸熱量減小，整體溫度場與 25m/s 相比溫度升高，但溫度梯度較多。對(duì)比不同霧化粒徑的溫度分布，隨液滴霧化粒徑的增大，降溫幅度減小，吸熱量降低。但由于流動(dòng)情況大致相同，其低溫區(qū)域大致相同。由于液滴粒徑增大，同時(shí)蒸發(fā)時(shí)間所需延-7-長，蒸發(fā)效率降低，蒸發(fā)吸熱減少，產(chǎn)生出的反應(yīng)物濃度較低，化學(xué)反應(yīng)受到抑制，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)吸熱減少。小粒徑時(shí)液滴集中在噴槍附近區(qū)域，反應(yīng)物濃度最大，因此低溫區(qū)域一

29、般出現(xiàn)在噴槍附近；而粒徑增大，液滴開始逐漸向噴槍下方區(qū)域移動(dòng)，低溫區(qū)域也逐漸向下方擴(kuò)散。2153.3 爐內(nèi)的 nh3 分布圖 11 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 60m 氨氣分布圖fig.11 ammonia distribution of 25m/s and 60m圖 12 噴射速度 45m/s 霧化粒徑 60m 氨氣分布圖fig.12ammonia distribution of 45m/s and 60m220圖 13 噴射速度 25m/s 霧化粒徑 180m 氨氣分布圖fig.13 ammonia distribution of 25m/s and 180m圖 14 噴射速度 25m

30、/s 霧化粒徑 500m 氨氣分布圖fig.14 ammonia distribution of 25m/s and 500m圖 11-14 給出的是不同噴射速度和霧化粒徑情況下熱解爐內(nèi)氨氣的分布情況。從圖 11可以看出氨氣的整體分布情況比較均勻，低濃度區(qū)域均出現(xiàn)在反應(yīng)區(qū)下部近壁面區(qū)域，但也225有少數(shù)區(qū)域濃度較高，存在流動(dòng)死區(qū)。從圖 12 中可以看出，噴射速率增大后氨氣的濃度反而降低了，這應(yīng)該與化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)，由于噴射速率增大形成了大量的漩渦使得煙氣的混-8-合情況良好，極少出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)。從圖 13 和 14 中可以看出，當(dāng)液滴粒徑增大，氨氣的濃度降低，反應(yīng)區(qū)域氨氣濃度較高而出口濃度較低，

31、而且由于產(chǎn)生的漩渦在反應(yīng)區(qū)域中央，氨氣的整體分布不均勻產(chǎn)生在邊緣區(qū)域產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的流動(dòng)死區(qū)。2303.4 液滴噴射速度的影響表 2 不同液滴噴射速度對(duì)各種參數(shù)的影響tab.2 the effect of different droplet spray velocity to various parameters噴射速度 / m/s出口 nh3 體積濃度出口溫度 / k平均停留時(shí)間/ s平均貫穿距離/ m/%152535453.32 526. 1.3 1.773.39 530 1.1 1.893.04 551 0.8 1.793.23 553 0.8 2.05表 2 中給出的是不同的液滴噴射速

32、度對(duì)各種參數(shù)的影響。隨噴射速度的增大，出口氨氣235240245濃度在 25m/s 時(shí)達(dá)到最大值，煙氣出口溫度呈逐漸升高趨勢，平均停留時(shí)間逐漸降低，平均貫穿距離逐漸增大。影響氨氣濃度的因素主要是煙氣的混合流動(dòng)情況和液滴化學(xué)反應(yīng)情況。噴射速率的增大，液滴與高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱情況加強(qiáng)，蒸發(fā)更加強(qiáng)烈，液滴的平均停留時(shí)間縮短，同時(shí)液滴初速度增大導(dǎo)致軌跡變長，貫穿距離增大進(jìn)入噴射下方區(qū)域。從矢量圖上可以看出，噴射速率越大，在熱解反應(yīng)區(qū)中央形成的的漩渦越多，強(qiáng)度越大，嚴(yán)重的影響了主流煙氣的上升，降低了主流煙氣速度，液滴蒸發(fā)后形成的尿素和水蒸氣在漩渦的作用下迅速混合擴(kuò)散，導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域內(nèi)反應(yīng)物濃度降低抑制了化

33、學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從而減小了吸熱量，導(dǎo)致降溫幅度減小，同時(shí)生成產(chǎn)物也無法及時(shí)的擴(kuò)散到煙氣下游，生成產(chǎn)物含量降低。3.5 液滴霧化粒徑的影響表 3 不同液滴霧化粒徑對(duì)各種參數(shù)的影響tab.3 the effect of different droplet diameter to various parameters噴入霧化粒徑 /出口 nh3 體積濃度出口溫度 / k平均停留時(shí)間/ s平均貫穿距離/ mm/%60 3.39 530 1.1180 2.95 555 1.1300 2.65 555 1.5500 2.49 550 2.11.892.623.183.75表 3 給出的是不同霧化粒徑對(duì)各種參

34、數(shù)的影響。隨霧化粒徑的增大，出口氨氣體積濃度逐漸降低，出口溫度略有上升，平均停留時(shí)間逐漸延長，平均貫穿距離逐漸增大。霧化粒徑較小時(shí)，液滴比表面積較大，在相同的煙氣溫度和速度環(huán)境中，換熱更好，蒸發(fā)比較快，平250255均停留時(shí)間較短，而當(dāng)霧化粒徑增大，液滴吸熱量增大，蒸發(fā)速度降低，平均停留時(shí)間延長，貫穿能力提高，能夠達(dá)到反應(yīng)區(qū)中心部分。但是霧化粒徑增大后，反應(yīng)物的濃度由于蒸發(fā)緩慢而減小，化學(xué)反應(yīng)速率降低，化學(xué)反應(yīng)吸熱量減少，反應(yīng)區(qū)域溫度升高，反應(yīng)產(chǎn)物含量降低。霧化粒徑增大，流場發(fā)生變化，液滴受重力影響增強(qiáng)而受煙氣卷吸作用減弱，在反應(yīng)區(qū)中心部分形成的回流區(qū)增強(qiáng)了煙氣中各組分的混合擴(kuò)散，但是同時(shí)抑制

35、了生成氨氣向熱解爐出口的流動(dòng)，降低了出口的氨氣濃度。3.6 液滴噴射時(shí)間的影響-9-1.40001.20001.00000.80000.60000.40000.20000.0000v=25m/s，d=60mv=15m/s，d=60mv=35m/s，d=60mv=25m/s，d=180mv=25m/s，d=300m12345 678910時(shí)間/s260265圖 15 液滴的蒸發(fā)時(shí)間隨噴射時(shí)間的變化曲線fig.15 the curve of droplet evaporating time varying with spray time圖 15 所示是液滴的蒸發(fā)時(shí)間隨噴槍噴射時(shí)間的變化曲線。從圖

36、15 中可以看出，隨噴射速度的增大，蒸發(fā)時(shí)間逐漸降低，而粒徑增大，蒸發(fā)時(shí)間逐漸升高，但是噴射速度對(duì)蒸發(fā)時(shí)間的影響并不如粒徑的影響幅度大。隨噴射時(shí)間的延長，蒸發(fā)時(shí)間先逐漸增大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，蒸發(fā)時(shí)間基本保持穩(wěn)定。不同噴射速度的液滴其蒸發(fā)時(shí)間在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后基本相同，此時(shí)蒸發(fā)時(shí)間受噴射速度影響很小，主要受粒徑大小的影響。2.50002.0000v=25m/s，d=60m1.50001.0000v=15m/s，d=60mv=35m/s，d=60mv=25m/s，d=180mv=25m/s，d=300m0.50000.000012345 678910時(shí)間/s圖 16 液滴貫穿能力隨噴射時(shí)間變化曲線2702

37、75fig.16 the curve of droplet penetrating distance varying with spray time圖 16 給出的是液滴的貫穿能力隨噴射時(shí)間的變化曲線。在較小的粒徑下，噴射速度的增大對(duì)貫穿距離的影響并不十分明顯，但還是可以看出貫穿距離隨速度的增大而增大的趨勢，而粒徑的變化則對(duì)貫穿距離影響十分明顯，隨粒徑的增大，貫穿能力產(chǎn)生了較大幅度的提高。隨噴射時(shí)間的增長，貫穿能力也表現(xiàn)出先增長后穩(wěn)定的趨勢，但是前期的增長幅度并不是十分明顯。- 10 -蒸發(fā)時(shí)間/s貫穿距離/m4 結(jié)論本文給出了對(duì)熱解爐內(nèi)的尿素溶液噴淋熱解過程進(jìn)行的數(shù)值模擬，主要研究了液滴噴射

38、速度和液滴霧化粒徑對(duì)溫度場、速度場、氣體的混合情況和出口的氨氣流量產(chǎn)生的影響，得出以下結(jié)論：280285（1）液滴噴射速度的增大增強(qiáng)了液滴與煙氣的換熱情況，可以加速液滴蒸發(fā)，增大液滴的有效貫穿距離，有助于不同氣體組分的混合。但是液滴噴射速度太大引起強(qiáng)烈的擴(kuò)散增大了反應(yīng)區(qū)域，同時(shí)降低了反應(yīng)物濃度，不利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，減小了化學(xué)反應(yīng)的吸熱，提高了反應(yīng)區(qū)域的溫度，有助于液滴的蒸發(fā)；降低了氨氣的生成量，產(chǎn)生的回流抑制了氨氣向出口的流動(dòng)，降低了出口氨氣流量；（2）液滴粒徑的增大可以延長蒸發(fā)時(shí)間。隨液滴粒徑的增大，液滴穿透距離增大，液滴軌跡延長至反應(yīng)區(qū)域中心，增強(qiáng)了混合的均勻性，但是蒸發(fā)速率的降低延緩了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，降低了氨氣的產(chǎn)量。液滴粒徑的增大導(dǎo)致液滴不易受