對循環(huán)流化床鍋爐SNCR過程中還原劑與煙氣的混合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同煙氣量和噴射點(diǎn)布置對混合情況的影響。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)還原劑噴射點(diǎn)設(shè)置在分離器進(jìn)口煙道時(shí)，還原劑和煙氣在分離器內(nèi)大部分區(qū)域混合很好，煙氣量降低對混合效果影響不大。當(dāng)還原劑噴射點(diǎn)布置在分離器內(nèi)部時(shí)，還原劑與煙氣混合效果較差，大部分還原劑從中心筒“短路”流出旋風(fēng)分離器。在一臺75t/h的循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到較高的脫硝效率，能夠?qū)Ox排放值控制在100mg/Nm3以下。

1、前言

煤炭是中國的基礎(chǔ)能源，在一次能源構(gòu)成中占70%左右。根據(jù)“十一五”規(guī)劃和“十二五”規(guī)劃，在今后一個較長時(shí)期內(nèi)，煤炭將繼續(xù)占據(jù)我國能源的主導(dǎo)地位[1]。

燃煤發(fā)電鍋爐、工業(yè)鍋爐和工業(yè)窖爐是三大煤耗設(shè)備。燃煤鍋爐排放的煙氣中含有大量的NOx，占我國總NOx排放量的60%~80%，是大氣中NOx污染物的主要來源。NOx的排放給自然環(huán)境和人類生活帶來了嚴(yán)重的危害，是酸雨、酸霧的主要原因之一，在大氣中與碳?xì)浠衔镄纬晒饣瘜W(xué)煙霧，并參與臭氧層的破壞。

根據(jù)第一次全國污染源普查報(bào)告，2007年我國氮氧化物排放總量為1797.7萬噸，如不進(jìn)一步采取有效的NOx排放控制措施，預(yù)計(jì)到2020年，氮氧化物排放量將達(dá)到2900萬噸。2011年7月，環(huán)境保護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，于2012年1月1日開始實(shí)施，其中燃煤鍋爐的氮氧化物排放限值為100mg/m3。

選擇性非催化還原反應(yīng)(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)是一種無需催化劑的脫硝方式。該方法是將氨基還原劑噴入爐膛溫度為800～1100℃的區(qū)域內(nèi)，與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)，生成N2和H2O。

與煤粉鍋爐相比，循環(huán)流化床鍋爐(CFB)由于燃燒溫度較低、合理組織送風(fēng)，NOx生成量自身就可控制到200mg/m3左右[2]。如再配置SNCR脫硝技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)低于100mg/m3的排放水平，并維持氨逃逸在5～10ppm[3]。由于SNCR脫硝系統(tǒng)簡單，造價(jià)相對低廉，不存在反應(yīng)器堵塞等問題，因此在CFB鍋爐上的應(yīng)用逐步增多。本文對SNCR技術(shù)在流化床鍋爐上的還原劑噴射系統(tǒng)的布置方式進(jìn)行了研究，考察了不同參數(shù)下還原劑在旋風(fēng)分離器內(nèi)的分布情況。

2、CFB鍋爐SNCR應(yīng)用特點(diǎn)

2.1溫度分布合適

SNCR技術(shù)的脫硝效率對反應(yīng)溫度非常敏感。如果反應(yīng)溫度過低，脫硝反應(yīng)速率很慢，反應(yīng)劑來不及參與反應(yīng)，因而降低了脫硝效率，并且增加氨逃逸量;如果反應(yīng)溫度過高，NH3的氧化反應(yīng)占優(yōu)，反而增加NO排放。一般而言，SNCR最佳的反應(yīng)“溫度窗口”為900～1100℃[6]。

CFB鍋爐屬于低溫燃燒方式，爐內(nèi)燃燒溫度較低，且分布均勻，爐膛至旋風(fēng)分離器區(qū)域溫度一般為850～950℃，正好處于SNCR溫度窗口內(nèi)。因此，CFB鍋爐的爐內(nèi)溫度分布情況非常適合實(shí)施SNCR脫硝技術(shù)。

2.2停留時(shí)間足夠

為保證SNCR達(dá)到理想脫銷效率并且減少氨逃逸，煙氣和脫硝反應(yīng)劑在合適的溫度區(qū)間達(dá)到足夠的停留時(shí)間是關(guān)鍵因素之一。對于CFB鍋爐，SNCR還原劑常布置在高溫旋風(fēng)分離器進(jìn)口。根據(jù)旋風(fēng)分離器的沉降分離理論，假定煙氣均勻進(jìn)入分離器，并沿螺旋線行進(jìn)，則煙氣在分離器中的停留時(shí)間τN可以用下式進(jìn)行估算：

(1)

式中：r0和re分別為旋風(fēng)分離器筒體半徑和排氣管半徑;U為煙氣切向速度，等于分離器進(jìn)口速度;Nc為煙氣在分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)。CFB鍋爐高溫分離器入口速度大約為20~30m/s，大容量鍋爐分離器筒體直徑約6~7m，排氣中心管直徑約3m。按上式計(jì)算可知，煙氣在分離器停留時(shí)間約為2.5~3.5s[5]。

根據(jù)試驗(yàn)和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，還原劑在有效脫硝溫度窗口的停留時(shí)間大于1s即可得到較好的脫硝效率，因此，CFB鍋爐的爐型適合采用SNCR技術(shù)。

3、爐內(nèi)還原劑分布數(shù)值模擬

3.1幾何模型和網(wǎng)格劃分

對某臺循環(huán)流化床鍋爐SNCR過程中的還原劑分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，鍋爐型號DG130/9.8-4，蒸發(fā)量為130t/h，主蒸汽壓力9.8MPa、溫度540℃，單汽包自然循環(huán)，半露天形式布置，設(shè)置高溫旋風(fēng)分離器2個。

由于本文中SNCR噴射位置選為高溫旋風(fēng)分離器進(jìn)口，因此將旋風(fēng)分離器及進(jìn)口煙道作為計(jì)算區(qū)域。旋風(fēng)分離器進(jìn)口高度3.2m，進(jìn)口寬度1.2m，旋風(fēng)筒總體積93m3。進(jìn)口煙氣溫度為880～920℃。幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示，旋風(fēng)分離器深11193mm，筒徑自上而下，分別為4.3m，2.3m和最底端的1.76m。采用非結(jié)構(gòu)化的六面體、cooper方法對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)目為33萬。

圖1數(shù)值計(jì)算幾何模型與網(wǎng)格劃分

3.2數(shù)值計(jì)算采用的理論模型

數(shù)值計(jì)算中，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬氣相湍流輸送，對輻射換熱的計(jì)算采用P-1輻射模型，壓力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。采用離散相模型(dpm)跟蹤還原劑液滴軌跡，考慮慣性加熱、蒸發(fā)、沸騰和擴(kuò)散等效應(yīng);采用隨機(jī)軌道模型考慮湍流對液滴顆粒運(yùn)動的影響。

3.3數(shù)值計(jì)算條件

數(shù)值計(jì)算時(shí)，高溫旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙氣溫度取900℃，進(jìn)口煙氣中固體顆粒濃度為3.1kg/Nm3。采用2支還原劑霧化噴槍，平均霧化粒徑為100µm，噴射系統(tǒng)布置方式有兩種，其中(1)布置在進(jìn)口水平煙道兩側(cè)，如圖2(a)所示;(2)布置在旋風(fēng)分離器內(nèi)部，如圖2(b)所示。

共進(jìn)行了3個算例的數(shù)值模擬，計(jì)算條件如下表所示。

表1數(shù)值計(jì)算采用的條件

3.4計(jì)算結(jié)果與分析

圖3為算例1、2和3得到的旋風(fēng)分離器豎直截面上還原劑質(zhì)量濃度的分布情況。對于算例1，如果還原劑與煙氣完全混合，則還原劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0022。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，除了進(jìn)口很小一段區(qū)域外，還原劑在分離器大部分區(qū)域內(nèi)均勻分布，混合非常好。對于算例2，理想還原劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0025，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在該計(jì)算條件下，分離器內(nèi)大部分區(qū)域還原劑能夠與煙氣充分混合。

算例3中，對還原劑噴射的布置方式進(jìn)行了改變，將噴射位置移到旋風(fēng)分離器內(nèi)部。與上一個算例相比，此處的速度降低，混合距離減少。計(jì)算結(jié)果表明，這種布置方式時(shí)混合效果變差，大部分還原劑從的中心筒“短路”流出旋風(fēng)分離器，導(dǎo)致分離器中心筒以下部分還原劑濃度很低。

4、實(shí)際運(yùn)行情況

對一臺75t/h的循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行SNCR脫硝改造，采用5%～8%的氨水作為還原劑，采用壓縮空氣霧化方式，液滴平均粒徑為100µm，噴射點(diǎn)布置在高溫旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道處，即圖2(a)的布置方式。

經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，SNCR脫硝系統(tǒng)能夠達(dá)到較高的脫硝效率，當(dāng)氨與NOx的化學(xué)當(dāng)量比(NSR)為1時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)40%～50%的脫硝效率;當(dāng)NSR=2時(shí)，可以達(dá)到70%～80%的脫硝效率，將NOx排放值控制在100mg/Nm3以下。

5、結(jié)論

本文對循環(huán)流化床鍋爐SNCR過程中還原劑與煙氣的混合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了不同煙氣量和布點(diǎn)位置改變對混合情況的影響，針對此得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)還原劑噴射點(diǎn)設(shè)置在分離器進(jìn)口煙道時(shí)，還原劑和煙氣在分離器內(nèi)大部分區(qū)域混合很好，煙氣量降低對混合效果影響不大。

(2)當(dāng)還原劑噴射點(diǎn)布置在分離器內(nèi)部時(shí)，還原劑與煙氣混合效果很差，大部分還原劑從的中心筒“短路”流出旋風(fēng)分離器。

(3)在一臺75t/h的循環(huán)流化床鍋爐上進(jìn)行了SNCR實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到較高的脫硝效率，能夠?qū)Ox排放值控制在100mg/Nm3以下。