杜雙琦，張光學(xué)，池作和，孫公鋼，王進(jìn)卿

（中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

燃煤鍋爐排放的NOX是一種危害巨大的大氣污染物［1］.我國NOX排放形勢嚴(yán)峻，2010年排放總量為1977×105t，其中燃煤電廠產(chǎn)生的NOX約占排放總量的40%［2］，因此控制燃煤鍋爐的NOX排放具有重大意義.

目前脫除鍋爐煙氣中NOX的主要方法有選擇性非催化還原脫硝（selective non－catalytic reduction，SNCR）技術(shù)、選擇性催化還原脫硝（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)和低NOx燃燒技術(shù)等.SCR技術(shù)能實(shí)現(xiàn)80%～90%的脫硝率，但使用了較為昂貴的稀有金屬作為催化劑，因此成本較高［3］.SNCR技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)30%～70%的脫硝率，但不使用催化劑，成本較低，同時(shí)具有建設(shè)周期短、改造方便等優(yōu)勢［4］.

SNCR技術(shù)是將氨氣、尿素或異氰酸等含有氨基的還原劑噴入爐內(nèi)約900～1100℃的溫度區(qū)域內(nèi)，與煙氣中的NOX生成氮?dú)夂退?研究表明［5－8］，在混合良好的情況下，SNCR 可達(dá)到80%以上的脫硝率.但在實(shí)際應(yīng)用中，尤其對(duì)于大型燃煤鍋爐，由于還原劑與煙氣無法均勻混合，SNCR脫硝率一般低于50%［9］.由此可見，對(duì)選擇性非催化還原脫硝技術(shù)的還原劑與煙氣的混合特性的研究，是提高該技術(shù)脫硝率的關(guān)鍵之一.

本文對(duì)某電廠220t／h燃煤蒸汽鍋爐SNCR過程中還原劑與煙氣的混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬，以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為衡量混合程度的定量指標(biāo)，考察了還原劑液滴粒徑、噴射速度、還原劑流量和鍋爐負(fù)荷等因素對(duì)混合程度的影響，以期為SNCR的工業(yè)應(yīng)用提供一定的理論參考.

1 幾何及數(shù)值模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

某電廠燃煤鍋爐型號(hào)為HG－220／9.8，額定蒸發(fā)量為220t／h，過熱蒸汽壓力為9.8MPa，過熱蒸汽溫度540℃.鍋爐采用單鍋筒Ⅱ型布置，四角切圓燃燒，中間儲(chǔ)倉式乏氣送粉，共2層8個(gè)一次風(fēng)燃燒器噴口.燃用煤質(zhì)為煙煤，揮發(fā)分Vad＝24.8%，熱值Qnet＝18.29MJ·kg－1.

幾何模型及SNCR還原劑噴口布置如圖1所示，爐膛寬7570mm，深7570mm，鍋爐本體最高點(diǎn)標(biāo)高31600mm.SNCR還原劑噴射系統(tǒng)布置在20000mm標(biāo)高處，共設(shè)有8個(gè)噴口，前后墻各4個(gè).采用結(jié)構(gòu)化六面體對(duì)鍋爐網(wǎng)格劃分，在燃燒器區(qū)域和噴口附近進(jìn)行局部加密，總網(wǎng)格數(shù)目為87萬.

計(jì)算中，SNCR還原劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%尿素溶液，氨氮比取1.4.

圖1 數(shù)值計(jì)算幾何模型及SNCR噴口布置示意圖Figure 1 Geometrical model for numerical study and sketch map for SNCR nozzles distribution

1.2 數(shù)值模型

1.2.1 氣相流動(dòng)模型

爐內(nèi)氣流流動(dòng)為三維湍流反應(yīng)流，采用廣泛使用的k－ε雙方程湍流模型進(jìn)行求解.氣相流動(dòng)模型包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k與ε兩個(gè)輸送方程，其統(tǒng)一表達(dá)式為：

式中，φ可代表速度u、v、w、湍流動(dòng)能k、湍流耗散率ε等物理量，當(dāng)φ＝1時(shí)為連續(xù)性方程；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為氣相引起的源項(xiàng)；Spφ為顆粒相引起的源項(xiàng).

1.2.2 液滴蒸發(fā)模型

液滴蒸發(fā)是一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，包括傳熱和傳質(zhì)兩個(gè)交錯(cuò)進(jìn)行的過程.其中傳質(zhì)系數(shù)kc可由努塞爾關(guān)聯(lián)式得到［10］：

式中Di，m為煙氣擴(kuò)散系數(shù)，Re為液滴雷諾數(shù)，Sc為（傳質(zhì)）施密特?cái)?shù)，dp為液滴直徑.

根據(jù)液滴蒸發(fā)時(shí)周圍邊界層的換熱機(jī)理，熱傳遞數(shù)BT計(jì)算式如下［11］：

式中L是液滴在表面溫度TS下的汽化潛熱，T∞為當(dāng)?shù)貧庀啵w積平均）溫度，也就是說BT表示液滴周圍煙氣的焓與液滴蒸發(fā)時(shí)所需熱量的比值.

1.2.3 隨機(jī)軌道模型

為了追蹤液滴在爐膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，采用隨機(jī)軌道模型，將液滴所受阻力分為時(shí)均流場阻力和脈動(dòng)流場阻力兩個(gè)部分，在液滴動(dòng)量方程中分別以流場的時(shí)均速度分量和脈動(dòng)速度分量代替瞬時(shí)速度分量.液滴的動(dòng)量方程表達(dá)式如下：

式中Up，Vp，Wp為液滴的軸向、徑向及切向瞬時(shí)速度分量；U，V，W 為煙氣相的軸向、徑向及切向時(shí)均速度分量；u′，υ′，ω′為煙氣相的軸向、徑向及切向脈動(dòng)速度分量為液滴弛豫時(shí)間，μ為煙氣黏度，Dp為液滴粒徑；Re為液滴雷諾數(shù)；對(duì)于球形液滴其阻力系數(shù)CD可采用如下表達(dá)式計(jì)算［12］：

1.3 混合特性衡量方法

為了定量評(píng)價(jià)爐內(nèi)煙氣與還原劑的混合程度，采用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差這一指標(biāo).標(biāo)準(zhǔn)偏差是一種量度數(shù)據(jù)分布的分散程度的指標(biāo)，用以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度.標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，數(shù)據(jù)偏離平均值就越少，均勻性越高，計(jì)算式為：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差即標(biāo)準(zhǔn)偏差與測量結(jié)果算術(shù)平均值的比值，表達(dá)式如下：

通過計(jì)算爐內(nèi)某個(gè)區(qū)域內(nèi)還原劑濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值，便可以對(duì)該區(qū)域內(nèi)還原劑與煙氣的混合程度進(jìn)行評(píng)估，偏差越小則表明混合效果越好.

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 爐內(nèi)溫度場分布

圖2為爐內(nèi)溫度場分布計(jì)算結(jié)果，主燃區(qū)溫度較高，最高燃燒溫度可達(dá)到1500℃，爐膛出口溫度為950℃左右.適合SNCR反應(yīng)的溫度窗口為900～1100℃，結(jié)合數(shù)值模擬，將還原劑噴射點(diǎn)設(shè)置在20000mm標(biāo)高處.

圖2 爐內(nèi)溫度場分布Figure 2 Temperature distribution in the furnace

2.2 還原劑爐內(nèi)混合情況

圖3為鍋爐標(biāo)高22000mm處橫截面上還原劑分布情況，圖4為爐內(nèi)豎直截面上還原劑的分布情況，計(jì)算條件為：還原劑噴射速度50m／s、流量188kg／h、霧化粒徑300μm.由圖可見，還原劑經(jīng)過霧化后噴入爐膛1100℃左右的高溫區(qū)，經(jīng)歷加熱、沸騰和蒸發(fā)過程，迅速擴(kuò)散到鍋爐煙氣中.由于爐膛溫度高、還原劑溶液沸點(diǎn)低、粒徑小，這一過程進(jìn)行得很快，液滴在爐內(nèi)的停留時(shí)間很短.另外，還原劑與煙氣的混合程度隨著爐膛高度的增加而提高.

2.3 還原劑噴射速度的影響

圖5為還原劑噴射速度對(duì)混合均勻性的影響，計(jì)算條件為霧化粒徑300μm，流量188kg／h，鍋爐負(fù)荷為100%.由圖可見，還原劑進(jìn)入爐膛的速度越高，鍋爐各標(biāo)高截面還原劑分布RSD值越低，表明混合效果越好.這是因?yàn)?，爐膛上部溫度高、煙氣黏度大，還原劑難以深入爐膛內(nèi)部；噴射速度較小時(shí)，還原劑只能在噴射點(diǎn)附件蒸發(fā)，隨著噴射速度增加，還原劑穿透深度越大，混合效果得到加強(qiáng).

圖5 液滴噴射速度對(duì)混合效果的影響Figure 5 Influence of injection velocity on mixing degree

2.4 還原劑流量的影響

圖6為還原劑流量對(duì)混合均勻性的影響，計(jì)算條件為霧化粒徑300μm，噴射速度50m／s，鍋爐負(fù)荷為100%.計(jì)算結(jié)果表明，還原劑流量對(duì)混合均勻性的影響較小，當(dāng)流量增大時(shí)，混合程度略有提高.其原因是在其他條件保持不變時(shí)，流量增大使還原劑射流動(dòng)量增大，穿透深度增加，提高了混合均勻性.

圖6 液滴質(zhì)量流量對(duì)混合效果的影響Figure 6 Influence of flow rate on mixing degree

2.5 鍋爐負(fù)荷的影響

圖7為鍋爐負(fù)荷對(duì)還原劑混合均勻性的影響，計(jì)算條件為霧化粒徑300μm，流量188kg／h，噴射速度50m／s.計(jì)算結(jié)果表明，鍋爐負(fù)荷對(duì)混合程度的影響比較明顯，負(fù)荷越低，混合越均勻.這是因?yàn)殄仩t負(fù)荷降低，使煙氣速度降低，煙氣和還原劑在爐內(nèi)的停留時(shí)間增加，促進(jìn)兩者之間的混合.

圖7 鍋爐負(fù)荷對(duì)混合效果的影響Figure 7 Influence of boiler load on mixing degree

2.6 還原劑液滴粒徑的影響

還原劑液滴粒徑對(duì)混合情況的影響如圖8所示，計(jì)算條件為：還原劑噴射速度50m／s、流量188kg／h，鍋爐負(fù)荷為100%，縱坐標(biāo)為22000mm標(biāo)高橫截面還原劑濃度的RSD值.由圖可見，粒徑對(duì)混合情況的影響比較復(fù)雜，當(dāng)粒徑過小時(shí)，還原劑在噴口附近立即全部沸騰蒸發(fā)，無法深入到爐膛內(nèi)部，混合效果差.因此，提高粒徑可增加穿透距離，有效增加混合均勻性.然而，當(dāng)粒徑過大時(shí)，液滴加熱至沸騰需要的時(shí)間過長，且容易噴射至對(duì)面水冷壁上，導(dǎo)致混合效果不佳.計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于220t／h大型煤粉鍋爐，為了提高混合均勻性，必須具備一定的穿透深度，要求液滴粒徑在300～800μm范圍內(nèi).鍋爐容量越大，爐膛越大，要求的理想霧化粒徑也更大.

圖8 粒徑對(duì)混合效果的影響Figure 8 Influence of droplet size on mixing degree

3 結(jié) 語

本文對(duì)220t／h燃煤鍋爐SNCR過程還原劑與煙氣的混合情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了還原劑液滴噴射速度、流量、液滴粒徑以及鍋爐負(fù)荷對(duì)混合情況的影響.針對(duì)此臺(tái)鍋爐得到以下結(jié)論：

1）還原劑液滴在噴入爐膛高溫區(qū)后，受熱、沸騰和蒸發(fā)過程進(jìn)行得很快.

2）還原劑流量越大、噴射速度越大，液滴穿透深度越大，混合效果越好，且還原劑最佳噴射流量為219kg／h，噴射速度為60m／s.

3）鍋爐負(fù)荷越低，還原劑與煙氣的停留時(shí)間越大，混合程度越好.

4）為提高混合效果，需要較大的霧化粒徑，針對(duì)本臺(tái)鍋爐的最佳粒徑范圍為600～800μm.

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