曹慶喜，劉沛奇，張雨謙，鄔文燕，劉 輝，楊春暉，吳少華

(哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱150001)

0 前言

在各種低NOx控制技術(shù)中，選擇性非催化還原(SNCR)法具有改造容易、投資小以及易于與其它低NOx控制技術(shù)聯(lián)合應用等特點［1］，因而引起廣泛的重視。SNCR技術(shù)把含有氨基的還原劑(氨、尿素等)噴入到燃燒后具有合適溫度的煙氣中，在沒有貴金屬催化劑參與的情況下，還原劑選擇性地將煙氣中的NOx還原為氮氣。反應溫度對SNCR脫硝技術(shù)影響巨大，合適的脫硝溫度一般在900～1 100℃。溫度過低，SNCR脫硝反應速率太低使脫硝效率下降，未反應完全的NH3會隨煙氣排出，引起二次污染;溫度過高，還原劑可能會被氧化生成NOx，脫硝效率也會下降［2］。

目前，SNCR脫硝方面的研究大多在中小型試驗臺上進行［1－3］，大型燃煤鍋爐上SNCR脫硝的研究報道十分少見。另一方面，在大型燃煤鍋爐上對SNCR脫硝進行工業(yè)試驗的成本非常高，而數(shù)值模擬是一種經(jīng)濟有效的研究方法。一些研究者［4－6］對中小型裝置上的SNCR脫硝進行了數(shù)值模擬。王智化等［7］通過數(shù)值計算對一臺410 t/h燃煤鍋爐上SNCR脫硝過程進行了詳細的研究。這些研究為SNCR技術(shù)在大型燃煤鍋爐上的應用提供了有益的參考，但其研究對象的尺寸要遠小于我國主力發(fā)電機組(600 MW及以上機組)鍋爐。有報道指出，SNCR技術(shù)的脫硝效果隨爐膛尺寸的增大而惡化［4，7］。

在已有研究的基礎(chǔ)上，對我國主力電站鍋爐上SNCR技術(shù)的應用效果進行數(shù)值研究，對促進SNCR脫硝技術(shù)在大型燃煤鍋爐的推廣應用，具有重要的指導意義。本文借助計算流體力學軟件平臺Fluent，對一臺600 MW燃煤鍋爐上的SNCR脫硝進行模擬，并初步考察脫硝添加劑CO在大型燃煤鍋爐上的應用效果。

1 研究對象簡介

研究對象是一臺600 MW燃煤鍋爐，詳見文獻［8］。根據(jù)燃燒過程計算得出的爐內(nèi)溫度分布，適合SNCR脫硝的爐膛空間在高50 m以上［8］。因此，本文SNCR脫硝計算取高50 m至頂棚(73.2 m)的爐內(nèi)區(qū)域(圖1)。該爐膛左右墻之間分別均勻布置有8片分隔屏過熱器、32片屏式過熱器以及51片末級過熱器。

圖1 上爐膛及還原劑噴射點示意圖Fig.1 Schematic illustration of the upper furnace and the reducing regent injection position

如圖1所示，爐內(nèi)SNCR脫硝還原劑噴射位置分為6個區(qū)，其中1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)為垂直于水冷壁壁面布置的墻式噴嘴，1區(qū)噴槍的高度為52.25 m，四面爐墻各有4支，合計16支;2區(qū)、3區(qū)噴槍分別布置在高58.8 m、63.05 m處，每區(qū)僅在前墻布置了7支噴槍。4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)為深入爐膛的水冷長噴槍，每個區(qū)域在兩側(cè)墻各安裝有一支長噴槍，每支長噴槍長約7 m，上下各有12個噴孔。4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)噴槍分別位于爐高59.55 m、64 m、67.1 m處，其中4區(qū)、5區(qū)噴槍距前墻約11.62 m，6區(qū)噴槍距離前墻大約9.97 m。

燃燒過程計算見文獻［8］，將其得到的50 m高的水平截面的溫度分布、速度分布、煙氣組分分布導入，作為SNCR脫硝計算的入口條件，入口的主要煙氣成分和溫度的平均值見表1。在熱邊界條件中指定壁面溫度，根據(jù)工質(zhì)溫度及管壁熱阻，水冷壁壁面溫度近似取為363～478℃的線性變化，分隔屏過熱器和屏式過熱器的壁面溫度分別取為535.5℃和587.5℃。參考相關(guān)文獻［9］，假定霧化噴嘴噴出的還原劑液滴粒徑范圍為50～300 μm，服從Rosin－Rammler分布，平均粒徑為200 μm。

表1 SNCR脫硝入口煙氣成分和溫度的平均值Tab.1 The average value of flue gas composition and temperature at the inlet of SNCR process

為了能夠?qū)γ撓踹€原劑與煙氣的流動混合進行較為準確的計算，SNCR脫硝區(qū)域網(wǎng)格劃分較為細密，并根據(jù)各級過熱器的節(jié)距的不同分別進行了局部加密(見圖2)，網(wǎng)格總數(shù)為140萬左右。

圖2 網(wǎng)格劃分俯視圖Fig.2 Grid structure planform

2 SNCR脫硝模擬的數(shù)學模型

還原劑液滴在煙氣中的運動采用隨機軌道模型計算，輻射傳熱采用P－1模型，氣相湍流模型采用可實現(xiàn)的k－ε雙方程模型［10］。湍流中SNCR化學反應的計算采用漩渦耗散概念模型(EDC)進行模擬。EDC模型能在湍流反應流動中合并詳細的化學反應機理，其基本思想是假定反應發(fā)生在小的湍流結(jié)構(gòu)中，此結(jié)構(gòu)稱為良好尺度［11］。良好尺度的容積比率按式(1)計算

式中Cξ——容積比率常數(shù)，取2.1377;

ν——運動粘度/m2·s－1。

此模型認為物質(zhì)在小的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過一個時間尺度τ*=Cτ(ν/ε)1/2后開始反應。其中Cτ為時間尺度常數(shù)，為0.4082。反應經(jīng)過時間尺度τ*后開始進行，反應速率受Arrhenius方程控制，反應的速率常數(shù)可以通過Arrhenius公式(2)計算得到

式中Ar——指數(shù)前因子;

Er——反應活化能;

R——氣體常數(shù);

T——熱力學溫度。

SNCR脫硝工程中采用10%的尿素溶液作為還原劑。尿素溶液液滴噴入爐膛后受熱很快揮發(fā)蒸發(fā)并分解。在有水存在的條件，尿素的分解反應一般可歸總為［12］

由于326.85℃時尿素接近完全分解［7，13］，為了簡化計算，本文近似認為尿素在揮發(fā)的瞬間就轉(zhuǎn)化為NH3。根據(jù)文獻研究，一般認為SNCR脫硝可用以下兩個總包反應描述［14］。

反應(4)和反應(5)的速率計算如下。

式中kr和kox為反應速率常數(shù)，［NO］、［NH3］和［O2］分別為NO、NH3和O2的濃度。

本文還計算了添加CO的SNCR反應，根據(jù)文獻中的研究結(jié)果［14－15］，CO對SNCR反應的影響采用文獻［14］對公式(2)中反應溫度T進行修正的方法來考慮，即式(6)和式(7)中的kr和kox計算如下:

式中，ar、aox、Er、Eox的數(shù)值取自文獻［14］，詳見表2。

表2 SNCR總包反應模型的動力學參數(shù)Table2 Kinetic parameters of overall reaction model for SNCR process

其中x為添加劑CO的濃度。

CO氧化反應方程式如下。

該反應的反應速率按文獻［16］，計算如下。

式中［CO］和［H2O］分別為CO和H2O的濃度，kco為反應速率常數(shù)，按式(13)計算。

3 計算結(jié)果分析

3.1 爐內(nèi)溫度分布

從圖3可以看出，高為52.25 m的爐內(nèi)大部分區(qū)域溫度水平在1 300℃以上，遠高于SNCR脫硝的溫度窗口，說明滿負荷運行工況下布置在該爐膛高度的還原劑噴射1區(qū)的噴槍不宜采用。高58.8 m前墻附近的區(qū)域溫度水平在1 100～1 200℃之間，也高于SNCR脫硝對溫度的要求，所以此處的2區(qū)還原劑噴槍也不宜采用。3區(qū)、4區(qū)噴槍附近區(qū)域的溫度大致在1 000～1 100℃，適合SNCR脫硝反應。5區(qū)噴槍附近的溫度在900℃左右，該溫度下SNCR反應仍然能夠進行，但是由于反應速率較慢，有可能引起NH3漏失。6區(qū)噴槍附近的溫度在900℃以下，也不適合SNCR脫硝。根據(jù)以上分析，投用3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)的還原劑噴槍。總氨氮摩爾比為1.1。由于5區(qū)附近溫度水平較低，容易引起NH3漏失，只噴入15%的還原劑。3區(qū)和4區(qū)附近爐內(nèi)溫度相對較高，分別噴入納入40%和45%的還原劑。

圖3 爐膛中心縱截面溫度分布(℃)Fig.3 Temperature in furnace center vertical section(℃)

3.2 NH3和NO分布

圖4給出了爐膛水平截面上NH3濃度分布，在高為60 m的水平截面附近，由于只有還原劑噴射4區(qū)投運，因此NH3只分布在屏式過熱器區(qū)域。在高為64 m的水平截面附近，布置有還原劑噴射3區(qū)和5區(qū)，其中3區(qū)墻式噴槍噴入的還原劑主要分布在距離前墻5 m以內(nèi)的區(qū)域，5區(qū)長噴槍噴射的還原劑主要分布在屏式過熱器區(qū)域，可見各區(qū)噴射的還原劑均不能達到距離前墻5～10 m的空間內(nèi)。可見，大型燃煤鍋爐的爐膛體積較大，噴入到爐內(nèi)的還原劑難以到達爐膛中心，其與煙氣的混合情況較差，這會限制SNCR脫硝的作用效果。

圖4 爐膛水平截面NH3濃度分布(μL/L)Fig.4 NH3concentration in furnace horizontal section(μL/L)

圖5給出了64 m的爐膛水平截面NO濃度分布，可見采用SNCR脫硝前NO濃度大致在200～220 μL/L之間，采用SNCR脫硝后NO濃度顯著降低，局部最低降到100 μL/L左右。

圖5 64 m水平截面NO濃度分布(μL/L)Fig.5 NO concentrationin furnace horizontal section at the height of 64 m(μL/L)

計算得到SNCR脫硝效率為27%，NH3漏失較高，為23 μL/L。

3.3 添加CO的SNCR脫硝

為了降低NH3漏失，根據(jù)以上分析，對各組噴槍還原劑噴射量作了調(diào)整，并把添加劑CO氣體從還原劑噴槍的霧化介質(zhì)通道噴入爐內(nèi)。對采用CO的SNCR脫硝工況，SNCR系統(tǒng)的運行參數(shù)如下，氨氮摩爾比1.1，3區(qū)和4區(qū)分別噴入40%和50%的還原劑，由于5區(qū)和6區(qū)噴槍附近的溫度水平較低，所以各噴入5%的還原劑。CO全部從6區(qū)噴入，其與煙氣中NO總量的摩爾比為5。

由圖6(a)可以看出，該截面前墻附近有一定量的NH3，局部最高濃度達到60 μL/L，分析表明這是3區(qū)噴入的還原劑被煙氣攜帶上來的。在屏式過熱器區(qū)域，由于6區(qū)噴入了添加劑CO(見圖6(b))，加速了SNCR反應對NH3的消耗，NH3濃度低于20 μL/L，所以NH3漏失不會很嚴重。

圖6 高為68 m的水平截面NH3和CO濃度分布(μL/L)Fig.6 NH3 and CO concentration in furnace horizontal section at the height of 68 m(μL/L)

從圖6看，屏式過熱器區(qū)域的NH3濃度比前墻附近的低，但是圖7表明屏式過熱器區(qū)域的NH3和NO的反應速率(絕對值)均比前墻附近大，這說明添加劑CO提高了SNCR反應速率，促進了低溫下NH3和NO的反應，降低了NH3漏失。計算結(jié)果表明NH3漏失為10 μL/L，CO漏失也比較低，為42 μL/L，但是脫硝效率略有降低，為26%。

圖7 68 m水平截面NH3和NO的反應速率(mg/(m3·s))Fig.7 Net reactioin rate of NH3 and NO in furnace horizontal section at the height of 68 m(mg/(m3·s))

4 結(jié)論

(1)大型燃煤鍋爐上溫降梯度大，溫度適宜進行SNCR脫硝反應的爐內(nèi)空間小;根據(jù)溫度分布，鍋爐滿負荷運行時，SNCR脫硝系統(tǒng)投用還原劑噴射3區(qū)、4區(qū)和5區(qū)的噴槍比較合適。

(2)計算結(jié)果表明，在氨氮摩爾比為1.1的條件下，該600 MW燃煤鍋爐上SNCR脫硝效率在27%左右。

(3)向爐內(nèi)噴入少量的添加劑CO可加快SNCR反應的速率，使NH3漏失從23 μL/L降低到10 μL/L。

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