脱硫脱硝尾气排放烟羽扩散模拟研究

朱旭东（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 3158012）

脱硫脱硝尾气排放烟羽扩散模拟研究

朱旭东（中海石油宁波大榭石化有限公司，浙江 宁波 3158012）

随着全社会对大气环境质量重视程度的不断提高，石化企业纷纷加大对石油炼制过程尾气排放的环保治理力度，对各类锅炉烟气、加热炉烟气、催化再生烟气实施脱硫脱硝处理已十分普遍，目前对于脱硫脱硝后排放尾气的烟羽扩散问题研究较少，因环境布点检测手段复杂、费用高，关于烟羽扩散规律方面的研究不易开展，运用CFD建模技术对其这一课题进行数值化模拟分析。

脱硫脱硝尾气;烟羽扩散;CFD

即将于2015年7月1日执行的《GB31570-2015石油炼制工业污染物排放标准》，对现有和新建石油炼制企业及其生产设施的水、气污染物排放限值，进行了达标时限和控制指标上的明确规定。标准中，对于造成大气光化学污染影响的主要污染物氮氧化物的时限排放规定限值，工艺加热炉是150-180mg/ m3、催化裂化催化剂再生烟气是200 mg/m3，同时对于存在国土开发密度高、环境承载力开始减弱、大气环境容量较小等问题的地区，氮氧化物的排放限值下调为100 mg/m3。

近年来中国海洋石油严格执行国家政策法规要求，采取各种手段对于石油炼制过程中各类污染物进行治理，在大气光化学污染物控制方面，主要采取烟气脱硫脱硝、原料油深度加氢处理等技术措施，应用普遍的是烟气脱硫脱硝方案。随着国家对大气环境污染治理重视程度的提高，全社会对环境治理方面的意识越来越强，对于排放检测数据达到国家规定限值的企业和设施，企业周边社区也经常从视觉可见性、嗅觉分辨性等感官方面提出更新的苛刻要求，目前对于经脱硫脱硝后排放尾气烟羽扩散问题方面的研究较少，主要是由于环境布点检测手段复杂、费用高，研究开展的难度大，采取CFD方法，建立排放尾气的模型，可以对脱硫脱硝后烟羽的扩散性和视觉可见性进行分析，简便易行。

1 研究对象

模型研究对象设定为某重油催化裂解装置的再生烟气脱硫脱硝设施，采用SCR+PTU组合工艺技术，尾气满足国家规范要求后经仝烟囱排放，有关建立模型的基本参数见表1：

表1 脱硫脱硝尾气排放烟羽模型基本数据

2 建模思路和过程

2.1 建模思路

脱硫脱硝处理后尾气经101m高，内径4m的烟囱排出，与大气接触后随环境气流扩散，建立一400m×400m的模型空间，以满足描述尾气烟羽扩散的包容范围，通过CFD建模研究脱硫脱硝尾气在此空间内的扩散和视觉可见性，计算方式采用组分输运（species transport）模型，建模步骤：①建立2D几何模型；②划分网格；③设置基本模型、能量方程、湍流模型；④定义组份，启动组份输运模型；⑤设置边界条件、算法，进行计算；⑥输出计算云图。

2.2 2D几何建模

图1 脱硫脱硝尾气烟羽扩散计算尺度范围和边界设置

图2 烟囱排放口网格划分结果

图3 脱硫脱硝尾气烟羽一氧化氮（NO）扩散浓度分布图

采用Design Modeler草图建模工具建立2D的模型计算范围，并进行边界范围设置，简图如图1所示。

2.3 网格划分

在2D几何建模的基础上，用Meshing工具进行网格划分，本模型计算范围空间尺度较大，模型整体采用“四边形主导网格划分方法（Quadrilateral Dominant）”，单元中间节点设置为“使用选型进行设置（Use Global Setting）”；自由面网格类型采用“四边形/三角形方法（Quad/Tri）”，最大面域尺寸设置（Size= 1.0m），生成计算单元数量159596个。生成后的网格质量方面，偏斜度（Skewness）：最大0.012692、最小1.3E-10、平均1.45E-06、标准偏差6.11E-05，满足计算本题目的划分质量要求。烟囱排放口处的网格生成情况如图2所示。

表2 速度入口边界条件设置

2.4 计算方程设置

本模型采用Energy Equation能量方程，设Y轴Gravity重力为-9.8（m/s2）,选择标准湍流模型Standard k-epsilon（2eqn）和标准壁面函数Standard Wall Functions，考虑全浮力影响（Full Buoyancy Effects）。

2.5 组分和设定

本模型属于气体扩散（SpeciesTransport）问题，应用meth⁃ane-air混合体系与入口扩散和扩散能量来源（Inlet Diffusion）、（Diffusion Energy Source）设置；烟囱口排放尾气组份（Species Mass Fractions）以及大气湿度、温度条件根据表1的数据设置。

图4 脱硫脱硝尾气烟羽扩散总体相对湿度分布云图

图5 视觉可见烟羽尾气扩散部分（相对湿度100%以上区域）云图

2.6 边界和算法设定

本模型2个速度入口velocity-inlet边界条件的设置如表2。

其它2个压力出口Pressure Outlet边界，设置为环境大气压力，湍流强度设为0.1%，计算边界分别为400m。

模型建立完毕后，进行全面初始化，首次计算按照1000步迭代，后续各种方案调整计算200步迭代即可满足要求。

3 模型研究数据结果

模型计算出脱硫脱硝排放尾气烟羽中一氧化氮（NO）扩散分布浓度状况云图见图3。

对于脱硫脱硝尾气排放烟羽的视觉可见性问题，主要是烟气中所夹带的水蒸气与大气接触扩散后，造成扩散区域空气相对湿度提高，超过空气饱和湿度后凝结所致，因此可采用相对湿度云图进行描述，模型生成的在排放口温度为55.8℃条件下的烟羽扩散整体相对湿度情况见图4，其中大气视觉可见部分即相对湿度超过100%以上区域的烟羽尾气见图5.

4 结语

通过本例的实践，运用CFD建模技术对脱硫脱硝尾气烟羽扩散问题进行分析研究具有方便易行和可反复推演性，在生产实践中可利用此模型对有关生产运行参数进行调整，建模有关基本设置也可利用生产实际进行修正，其效果直观、形象。

表5 捕收剂条件试验结果 %

2.5 水玻璃用量条件试验

由表6试验结果可知，磨矿体系下加入水玻璃后，铜精矿回收率变化不大，但铜精矿品位明显升高，由13.09%升至20.16%，表明水玻璃能在不影响铜回收率的情况下，抑制硅酸盐类矿物上浮，显著提高铜精矿品位。

表6 水玻璃用量条件试验结果 %

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3 结语

该铜渣采用选矿方法回收铜，开路试验可获得含铜20.16%，铜回收率61.14%的精矿产品，尾矿铜品位可降至0.23%，说明该铜渣可通过选矿回收，但最终的选矿指标需通过流程试验才能确定。预计最终铜精矿品位可达到18%，铜回收率为80%左右。

[1]汤宏.铜渣选矿试验的探讨[J].有色矿山,2011，30(5):38-40.

[2]杨慧芬，袁运波等.铜渣中铁铜组分回收利用现状及建议[J].金属矿山,2012(5):165-168.

[3]朱茂兰，熊家春等.铜渣中铜铁资源化利用研究进展[J].有色冶金设计与研究,2016,37(2):15-17.

作者简介：凡永利（1985-），女，陕西省米脂县人，学历：硕士,职称：助教，榆林职业技术学院化学工程系教师，研究方向：材料、矿冶工程。

朱旭东（1977-），男，辽宁人，本科学历，中海石油宁波大榭石化有限公司工程师，研究方向：石油化工