300 MW燃煤鍋爐SNCR過程的數(shù)值模擬

姜 敏 金保昇 周英貴 王曉佳

(東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京210096)

燃煤電廠的NOx排放是重要的污染源.針對NOx的排放，目前電站廣泛采用的控制方法主要有選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)和選擇性催化還原技術(shù)(SCR)等.SNCR 技術(shù)相對于SCR 技術(shù)，投資和運行成本低.通過在爐膛中噴入還原劑的方法，有利于舊電廠的改造，比較適合中國國情.

但SNCR 技術(shù)的還原效果受到多方面的制約，如反應(yīng)溫度、混合程度、還原劑的停留時間、氨氮摩爾比、煙氣組分、NOx的初始濃度等［1］.在實驗室條件下，能達到80%～90%的還原率，但是由于還原劑與NOx混合不理想等原因，在實際的運行過程中，脫硝率一般不會超過50%.SNCR 過程非常復(fù)雜，因?qū)嶒炦^程中無法測出爐內(nèi)的溫度場及濃度場，給研究工作帶來了很多不便，而數(shù)值模擬可以詳細地反映出這一過程.Nguyen 等［2－3］以FLUENT 軟件為平臺，利用簡化的還原反應(yīng)對管式爐中的SNCR 過程進行了模擬，表明數(shù)值模擬的方法具有一定的指導(dǎo)性.但由于規(guī)模較小，其結(jié)果對鍋爐實際運行幫助有限.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，使用FLUENT 軟件對大型300 MW 燃煤鍋爐進行三維全尺寸模擬，針對燃燒溫度、NOx生成及SNCR 過程進行預(yù)測，研究尿素溶液噴射位置、噴射速度、霧化粒徑以及摩爾比對脫硝效果的影響，確定其最佳運行參數(shù).

1 模型及計算方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

爐膛中的燃燒模擬已較為成熟，采用RNG κ-ε模型預(yù)測爐膛內(nèi)煙氣的流動狀態(tài)，該模型相對于標準κ-ε 模型考慮了旋流的影響.采用離散相模型處理煤粉，模擬煤粉運動采用拉格朗日隨機軌道模型.由于爐膛內(nèi)溫度較高，輻射傳熱占主要地位，采用P－1 模型模擬輻射傳熱.焦炭熱解采用雙競爭反應(yīng)熱解模型，揮發(fā)分燃燒采用混合分數(shù)概率密度函數(shù)(probability density function，PDF)法，焦炭燃燒采用動力－擴散模型.利用SIMPLE 算法，采用一階迎風(fēng)格式對控制方程進行求解.由于燃燒過程中產(chǎn)生的NOx濃度非常小，對煤粉的燃燒過程幾乎沒有影響，所以預(yù)測NOx生成采用燃燒后處理方法.由于快速型NOx的生成量較少，所以本文只考慮燃料型及熱力型NOx的生成.其中，假設(shè)90%的揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)變?yōu)镠CN，其余則轉(zhuǎn)變?yōu)镹H3，而焦炭氮直接氧化為NO［4］.

選用尿素作為SNCR 過程的還原劑，質(zhì)量分數(shù)為50%的尿素溶液與稀釋水混合后經(jīng)霧化噴入爐膛中，經(jīng)過水的蒸發(fā)、尿素分解及HNCO 的水解3 個步驟后與NOx反應(yīng)［5－6］:

1)水的蒸發(fā)

2)尿素分解

3)HNCO 的水解

湍流與化學(xué)反應(yīng)的耦合選用渦耗散概念(EDC)模型.本文中尿素的分解動力學(xué)參數(shù)采用由Aoki 等［7］提出的分解反應(yīng)模型，該化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型與尿素瞬間分解的假設(shè)相比，更接近于實驗值［8］.對于NOx與還原劑反應(yīng)的過程，Brouwer等［9］提出了簡化的7 步反應(yīng)模型，Nguyen 等［3］又對該模型進行了改進.本文中采用的尿素分解及簡化還原反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 尿素分解及簡化還原反應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)

1.2 邊界條件及初始條件

計算原型為300 MW 四角切圓煤粉爐，爐膛寬12.468 m，深14.048 m，總高52.1 m，具體參數(shù)如圖1所示.根據(jù)鍋爐在BMCR(最大連續(xù)蒸發(fā)量)下的實際運行情況，確定模型進口一次風(fēng)、二次風(fēng)速度分別為25，44 m/s，溫度分別為348，606 K.煤粉的速度及溫度與一次風(fēng)相同，給煤總量為36.67 kg/s，煤質(zhì)分析如表2所示.

鍋爐水平煙道中布置有大量的過熱器、再熱器管道，若按照實際狀況來模擬，劃分的網(wǎng)格數(shù)會較多，對計算機的要求較高，且耗費大量時間.所以本文將過熱器、再熱器管群簡化為一定厚度的屏，并且適當減少屏的數(shù)量，這樣網(wǎng)格數(shù)會相應(yīng)減少.同時考慮到計算機的硬件限制，將燃燒及SNCR 部分分開計算，并將爐膛出口的速度、溫度、濃度場導(dǎo)入SNCR 計算域的進口.簡化后燃燒部分的網(wǎng)格數(shù)為1.43 ×106，SNCR 部分的網(wǎng)格數(shù)為7.8 ×105.

圖1 四角切圓煤粉爐各示意圖(單位:m)

尿素溶液噴射方式采用solid－cone 類型，錐形角為14°，粒徑分布符合rosin－rammler，最小粒徑為0.03 mm，最大粒徑為0.8 mm，稀釋后的尿素溶液質(zhì)量分數(shù)為5%.在實際運行時，爐膛的溫度及煙氣流動基本穩(wěn)定.確定噴射位置后，SNCR 過程的脫硝效率與尿素溶液的噴射速度u、顆粒粒徑d 及氨氮摩爾比r 有關(guān).計算時，改變其中一個變量，其他的按照基準參數(shù)設(shè)定(見表3).

表2 燃料的元素分析及工業(yè)分析

表3 計算參數(shù)

2 結(jié)果與討論

燃燒的模擬首先進行連續(xù)相的流動計算，然后與離散相進行耦合，最后加入傳熱及燃燒反應(yīng).圖2為爐內(nèi)的溫度場縱向剖面.可以看出，SNCR 合適的溫度窗口大約在標高40～45 m 之間.

圖2 鍋爐縱向剖面溫度分布(單位:K)

2.1 各因素對SNCR 過程的影響

2.1.1 還原劑噴入點位置的影響

還原劑的噴入位置很大程度上影響到還原效果，溫度過高，還原劑易被氧化; 溫度過低，造成還原劑的逃逸，對下游設(shè)備造成腐蝕.呂洪坤等［10］對電站鍋爐SNCR 過程進行了試驗研究，得出最佳脫硝爐膛溫度約為1 223 K，選擇在高溫側(cè)噴射能夠減少NH3的逃逸，但同時也會有較多N2O 生成.本文選擇在平均溫度1 442，1 200，1 100 K的平面上布置噴嘴，標高分別為35，40 和42 m，由下往上稱為第1 層，第2 層和第3 層.其中第1 層在前墻、左墻和右墻上共布置21 個噴嘴，第2，3 層只在前墻布置9 個噴嘴.為了研究噴入點位置對脫硝的影響，本文分別對4 種工況進行了研究比較，分別為第1 層、第2 層、1，2 層組合及1，2，3 層組合，設(shè)定每個噴嘴噴射量相同，模擬結(jié)果如圖3(a)所示.

圖3 各因素對脫硝效率及漏氨的影響

由圖3(a)可得，單獨投運第1 層獲得了最大的脫硝效率及最小的漏氨量.爐膛三面布置噴槍的方式使得溶液更易到達爐膛中心，有利于煙氣與尿素溶液的均勻混合.尿素溶液進入爐膛經(jīng)水分蒸發(fā)分解后再與NOx反應(yīng)，粒徑0.3 mm 的液滴在爐膛中的停留時間約為0.5～0.6 s，而煙氣在折焰角處的煙氣速度為7～10 m/s，假設(shè)液滴的速度與煙氣流速相同，則0.3 mm 的尿素溶液液滴在爐膛中運動3.5～6 m 后開始分解成氨氣和HNCO，后者再與NOx混合發(fā)生還原反應(yīng).所以第1 層雖然噴射點溫度較高，但大部分液滴在反應(yīng)區(qū)間內(nèi)蒸發(fā)完并與NOx反應(yīng)，獲得了較好的脫硝效果.第2 層與第3 層噴射的液滴大部分在溫度區(qū)間外完成蒸發(fā)過程，因溫度過低反應(yīng)不完全而發(fā)生氨逃逸.

單獨投運第1 層，雖能夠獲得較好的脫硝效果，但由于溫度高，會生成大量的N2O; 單獨投運第2 層，效果較差;1，2 層組合以及1，2，3 層組合脫硝效果較好，但是3 層全部投運引起氨的逃逸較多，對下游設(shè)備有影響.綜上所述，1，2 層組合效果最佳.

2.1.2 液滴噴射速度的影響

液滴噴射速度從20 m/s 增加到40 m/s，對還原率及漏氨的影響如圖3(b)所示.由圖可見，隨著速度的增加，還原率有所增加，漏氨量減少.噴射速度對脫硝效果的影響主要表現(xiàn)在對混合和蒸發(fā)2個過程.一方面增大液滴噴射初速度有利于增加液滴的軌跡長度，使得液滴更易穿透到主流區(qū)深處，使得煙氣與還原劑的混合更均勻; 另一方面，速度的增加有利于氣流與液滴之間的傳熱傳質(zhì)，蒸發(fā)速度加快，蒸發(fā)時間變短，顆粒在反應(yīng)區(qū)間外完成蒸發(fā)的概率減少［11］.當液滴噴射速度為20 m/s 時，液滴的平均停留時間為0.92 s; 而速度增加到40 m/s 時，縮短到0.84 s，停留時間大大減少.以上2個因素導(dǎo)致還原率隨液滴噴射速度的增大而增大.但是液滴噴射速度大于30 m/s 后的還原率變化并不明顯，原因可能是噴射速度對蒸發(fā)的影響變小.而噴射速度越大，耗能則越高.所以液滴噴射初速度選擇30 m/s 較合適.

2.1.3 液滴霧化粒徑的影響

粒徑小的液滴，由于剛性差，穿透能力小，不能到達爐膛中心，只能還原近壁面部分的氮氧化物，導(dǎo)致還原率較小;相反粒徑大的液滴，剛性強，能夠到達爐膛中心，但是蒸發(fā)過程需要的時間較長，可能在反應(yīng)區(qū)間內(nèi)未蒸發(fā)完，導(dǎo)致還原劑在合適的溫度區(qū)間內(nèi)停留時間過短，反應(yīng)不完全，出口的氨含量增加，還原率降低.圖3(c)的模擬結(jié)果也證明了這一點.隨著液滴粒徑的增大，漏氨量呈現(xiàn)上升的趨勢，而平均粒徑為0.3 mm 的霧化條件，穿透能力好且在反應(yīng)窗口的停留時間長，獲得了最佳的還原率和較低的漏氨量.

2.2 模擬結(jié)果比較

在不同氨氮摩爾比下模擬脫硝效率，由圖4可見，摩爾比越大，噴入的還原劑越多，還原率增大，在氨氮摩爾比大于1.8 后還原率趨于穩(wěn)定.由模擬值與電廠實測值擬合出的二次曲線可見，當氨氮摩爾比為0.6 時，還原率相差最大，相對誤差小于10%.隨著氨氮摩爾比的增加，2 條曲線逐漸接近，模擬結(jié)果與實測結(jié)果較為吻合［12］.氨氮摩爾比對還原率的影響，一方面是由還原劑量的變化引起的;另一方面，液流量的變化也有一定作用.氨氮摩爾比越大，尿素溶液流量也越大.增加液流量，延長了蒸發(fā)時間.在速度不變的情況下，液滴更容易進入爐膛中心，增加混合，有利于還原率的提高.但是，液流量的增加會使溫度降低，影響了再熱器、過熱器的傳熱效率.由此可見，利用數(shù)值計算的方法模擬SNCR 過程，其結(jié)果對實際運行一定有理論指導(dǎo)作用.

圖4 模擬值與實測值的比較

3 結(jié)論

1)通過對4 種組合方式脫硝效果對比，研究了尿素溶液的噴射位置對還原效果的影響.尿素溶液的整個蒸發(fā)過程必須在溫度窗口內(nèi)完成，才能獲得更好的還原效果.

2)尿素溶液的噴射速度對顆粒的蒸發(fā)及混合過程有較大影響，速度越大，蒸發(fā)所需時間越短，還原劑與NOx的混合越充分，脫硝效果更好.但是當速度大于30 m/s 后，效果變得不明顯，實際運行過程中可以選用30 m/s 的噴射速度.

3)霧化粒徑越大，顆粒剛性越強，還原劑能到達煙氣主流區(qū)，增強混合過程，但是蒸發(fā)時間也越長.顆?？赡茉诜磻?yīng)區(qū)間外蒸發(fā)完，導(dǎo)致氨和HNCO 在溫度窗口的停留時間短.顆粒粒徑平均為0.3 mm，剛性強，在溫度窗口有足夠的停留時間，能夠獲得良好的脫硝效果.

4)通過數(shù)值模擬的方法來研究SNCR 過程的影響因素，確定最佳運行條件，對實際運行過程有一定指導(dǎo)作用.

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