尿素溶液煙道直噴系統(tǒng)熱解特性的數(shù)值研究

馬 瑞，楊 碩，高 宇，王國峰

（沈陽工程學(xué)院能源與動力學(xué)院，遼寧沈陽 110136）

NOx是電站鍋爐排放的污染物之一，會隨著大氣流動，以酸雨的形式降落到地面，其危害程度要比硫酸型酸雨更強(qiáng)[1-3]。因此，各大電廠通過脫硝裝置對煙氣中的NOx進(jìn)行處理，以達(dá)到減少污染的目的。目前，主要的脫硝方法有低氮燃燒技術(shù)、SNCR（Selective Non-Catalytic Reduction）和SCR（Selective Catalytic Reduction）。其中，SNCR和SCR是通過氨基與NOx反應(yīng)生成N2和H2O[4-5]，常用的氨基有氨水、液氨和尿素。以尿素作為氨基的方法應(yīng)用比較廣泛，主要是其具有易存儲、易制備、易運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。尿素制氨途徑又有水解法和熱解法，熱解法是利用高溫氣體加熱尿素溶液，使其受熱分解并生成以氨氣為主的氣體，供脫硝系統(tǒng)使用。與水解法相比，熱解法的制備系統(tǒng)簡單、安全性高、啟停迅速，這些特點(diǎn)使其在SCR技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用[6-8]。

1 SCR技術(shù)中尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)及原理

常規(guī)尿素?zé)峤庵瓢毕到y(tǒng)流程如圖1所示。以空氣為載體，通過電加熱器加熱，將空氣加熱至600℃，與霧化后的尿素溶液在熱解爐內(nèi)混合熱解，產(chǎn)生的NH3供SCR系統(tǒng)使用。此系統(tǒng)流程簡單，但存在以下缺點(diǎn)：

圖1 常規(guī)尿素?zé)峤庵瓢盨CR系統(tǒng)流程

1）電加熱器能耗高；

2）電加熱器需要具備很寬的調(diào)節(jié)比；

3）熱解爐底部管道易積灰結(jié)塊。

隨著SCR技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)環(huán)保公司提出尿素溶液煙道直噴熱解技術(shù)，解決了常規(guī)尿素?zé)峤庵瓢奔夹g(shù)的高能耗問題，其SCR技術(shù)流程如圖2所示。尿素溶液通過噴槍霧化直接噴入煙道，利用煙氣熱量分解尿素溶液，制取NH3。該系統(tǒng)更加簡單，安全性高，與鍋爐負(fù)荷跟隨性能好，調(diào)節(jié)更為靈活，已在電站鍋爐上得到成功應(yīng)用，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行效果。圖2中的h為尿素溶液完全分解所需的流動距離，煙氣流過該距離的時間應(yīng)大于尿素溶液完全分解所需的時間，以保證尿素溶液完全分解。

圖2 尿素溶液煙道直噴熱解制NH3系統(tǒng)流程

尿素溶液煙道直噴熱解制NH3系統(tǒng)雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但從設(shè)計角度來講，其技術(shù)要求并不是簡單地將尿素溶液噴槍置于煙道中，還需要考慮霧化狀態(tài)尿素與煙氣的混合效果及尿素溶液的熱解特性，這兩點(diǎn)直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行和熱解效果的優(yōu)劣。

尿素?zé)峤庵芅H3過程的基元反應(yīng)[9]如下：

2 尿素溶液熱解數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行及結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立鍋爐尾部煙道簡化模型，如圖3中的a圖所示。圖3中的b圖為煙道內(nèi)部擾流圓柱及尿素溶液噴射位置示意圖。煙道模型尺寸為1 m×1 m×50 m，以圓柱體替代現(xiàn)場煙道內(nèi)的導(dǎo)流板，模擬煙道內(nèi)部擾流。噴嘴布置位置為距入口0.5 m處，第一個圓柱距離噴嘴1 m。煙氣及尿素溶液參數(shù)如表1所示。

圖3 數(shù)值模擬幾何模型

表1 邊界條件參數(shù)

圖4為尿素溶液顆粒運(yùn)動軌跡。由圖4可以看出，尿素溶液顆粒在0.2 s后完全氣化分解。尿素溶液經(jīng)過擾流圓柱后，在擾流作用下與煙氣充分摻混，對傳熱有促進(jìn)作用。

圖5為尿素溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。由圖5可以看出，尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在經(jīng)過第一個擾流圓柱后降低明顯。結(jié)合圖4，在尿素溶液顆粒未完全氣化時尿素已經(jīng)開始分解，此時可以等同為尿素水解反應(yīng)，之后為尿素溶液熱解反應(yīng)。

圖4 尿素溶液顆粒軌跡

圖5 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖6和圖7分別為HNCO及NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)云圖。擾流后尿素溶液分解生成HNCO和NH3，HNCO繼續(xù)分解生成NH3。

圖6HNCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖7 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)

綜上所述，尿素溶液噴入煙道內(nèi)經(jīng)過擾流圓柱后，與煙氣混合尿素溶液發(fā)生閃蒸熱解，生成NH3和HNCO，而HNCO進(jìn)一步分解生成NH3。

圖8為尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線。由圖8可知，不同溫度下，尿素溶液噴入煙道后很快發(fā)生分解，0.3 s后尿素基本完全分解。

圖8 尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化

圖9和圖10分別為HNCO和NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化曲線。從圖9中可以看出，隨著煙氣溫度的升高，HNCO分解的化學(xué)反應(yīng)速率增大，表現(xiàn)為同時間HNCO質(zhì)量濃度低，換言之，即溫度升高有利于尿素分解制NH3。從圖10中可以看出，隨著時間的推移，NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大，但明顯看出低溫增大速率較慢。煙氣溫度為390℃時，1 s后NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)已經(jīng)趨于平緩，說明化學(xué)反應(yīng)速率較快，正向反應(yīng)基本結(jié)束；煙氣溫度為300℃時，2.5 s后NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍未到達(dá)煙氣溫度為390℃時的質(zhì)量濃度，說明正向反應(yīng)仍在繼續(xù)，這對實(shí)際工況是不利的，需要有足夠的煙道長度促進(jìn)尿素溶液繼續(xù)分解。

圖9HNCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化

圖10 NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化

綜合圖8～10，當(dāng)煙氣溫度大于350℃時，尿素溶液完全分解，生成NH3所需時間約為2.5 s，按照煙道煙氣平均流速為15 m/s計算，煙道長度應(yīng)最少預(yù)留40 m。

圖11 不同粒徑尿素溶液液滴熱解NH3質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時間變化

圖11為不同尿素溶液液滴平均粒徑下的NH3生成速率。隨著粒徑的增大，NH3生成速度有些許下降。但總體來看，平均粒徑小于0.1 mm時，粒徑大小對NH3生成速率影響不大。

3結(jié) 論

基于電廠實(shí)際運(yùn)行工況，通過上述分析證實(shí)了尿素溶液煙道直噴熱解制NH3是可行的，但在工程應(yīng)用中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）溫度是制約尿素溶液煙道直噴應(yīng)用的主要因素，并非所有機(jī)組和所有負(fù)荷都能應(yīng)用。煙氣溫度至少需達(dá)到350℃左右，溫度過低將造成尿素溶液分解不完全，降低脫硝效率，增大NH3逃逸量。

2）反應(yīng)時間是尿素溶液煙道直噴系統(tǒng)應(yīng)用中需要著重考慮的因素，設(shè)計過程中一定要考慮鍋爐實(shí)際情況，合理布置噴槍位置，保證尿素溶液有足夠的熱解時間。

3）當(dāng)尿素溶液液滴顆粒平均粒徑小于0.1 mm時，尿素溶液液滴顆粒粒徑對制NH3過程影響較小，但應(yīng)注意顆粒不應(yīng)過大。若顆粒過大，蒸發(fā)氣化緩慢，所需反應(yīng)時間會有所增加。

4）合理布置煙道內(nèi)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，能夠加快尿素溶液液滴與煙氣之間的熱傳遞，使得絕大多數(shù)液滴顆粒處于適宜的反應(yīng)溫度范圍。