朱小明，金保昇，雷達(dá)，王曉佳

（1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2南京龍?jiān)喘h(huán)保有限公司，江蘇 南京210012）

基于煙氣參數(shù)對(duì)SNCR還原劑霧化粒徑和噴入量的模擬優(yōu)化

朱小明1，金保昇1，雷達(dá)2，王曉佳1

（1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過(guò)程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096；2南京龍?jiān)喘h(huán)保有限公司，江蘇 南京210012）

為降低煙氣參數(shù)的不均勻分布對(duì)選擇性非催化還原（SNCR）脫硝的影響，對(duì)220MW燃煤鍋爐煙氣狀態(tài)分布特征及其對(duì)脫硝效果的影響進(jìn)行數(shù)值研究，同時(shí)探討了還原劑霧化粒徑和噴入量的優(yōu)化方案。研究表明，為保證還原劑在溫度窗口內(nèi)具有充足的反應(yīng)時(shí)間，液滴的最佳平均粒徑隨高度而改變；此外，由于還原劑噴入?yún)^(qū)域煙氣存在旋流作用，還原劑隨煙氣向爐膛局部“富集”，導(dǎo)致出口NH3/NO分布不均勻。據(jù)此，提出了噴槍霧化參數(shù)的優(yōu)化策略：①對(duì)不同高度處液滴的平均霧化粒徑進(jìn)行分層優(yōu)化；②在固定氨氮摩爾比下，根據(jù)旋流特征調(diào)整不同區(qū)域噴槍的流量分配。模擬結(jié)果顯示，氨氮摩爾比保持1.2時(shí)，相比電站基準(zhǔn)工況，優(yōu)化方案能夠?qū)⒚撓趼蕪?6.8%提高到42.1%，漏氨量降低49%；此外，隨著氨氮摩爾比的增大，優(yōu)化方案體現(xiàn)出更好的脫硝效果，但是優(yōu)化程度略有降低。

選擇性非催化還原；霧化粒徑；噴射量；模擬；優(yōu)化

為了滿足日趨嚴(yán)格的氮氧化物（NOx）排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)役中小型火電機(jī)組都需要進(jìn)行低氮改造，同時(shí)，考慮到其改造空間小、成本支出能力低的特點(diǎn)，脫硝效率高的選擇性催化還原（SCR）技術(shù)的應(yīng)用受到限制，而選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)因投資成本低、建設(shè)周期短、易于現(xiàn)有機(jī)組改造[1]而備受青睞。實(shí)際應(yīng)用中，受爐膛尺寸較大，還原劑難以與NOx良好混合；煙氣在SNCR反應(yīng)溫度區(qū)間（850～1100℃）內(nèi)停留時(shí)間短，反應(yīng)不充分等因素制約，煤粉鍋爐SNCR技術(shù)脫硝效率普遍不足40%，如果能夠進(jìn)一步提高SNCR技術(shù)的脫硝效率，其將在與低氮燃燒技術(shù)聯(lián)用的低氮改造上擁有良好的應(yīng)用前景[2]。為了降低NOx排放，現(xiàn)場(chǎng)常用的增加還原劑噴入量的方法，不僅會(huì)提高脫硝運(yùn)行成本，還可能因?yàn)榘钡植疾痪又匚捶磻?yīng)的氨泄露問(wèn)題。因此，還原劑與爐內(nèi)煙氣在溫度窗口的良好混合及足夠時(shí)間的反應(yīng)[3]，是提高實(shí)際脫硝效率和減少氨泄漏的關(guān)鍵。

很多學(xué)者[4-5]在還原劑與NOx的初期混合對(duì)SNCR脫硝效果的影響上展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)液滴穿透能力對(duì)氣液混合和脫硝反應(yīng)有著重要影響，而且脫硝率還決定于液滴分布的當(dāng)?shù)販囟?。呂洪坤[6]和姜敏[7]等分別采用工程試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法研究了電站鍋爐噴槍的霧化參數(shù)對(duì)SNCR脫硝效果的影響，并提出了各自的最佳運(yùn)行條件。XIA等[8]研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐SNCR區(qū)域流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和NO濃度場(chǎng)的空間分布極不均勻，噴口位置與爐內(nèi)狀態(tài)的匹配至關(guān)重要。當(dāng)前，大多數(shù)研究都是統(tǒng)一地改變所有噴槍的霧化參數(shù)，研究霧化壓力、液滴粒徑、流量和氨氮摩爾比（NSR）等因素對(duì)脫硝效果的影響。為了降低煙氣參數(shù)的不均勻分布對(duì)SNCR脫硝的影響，根據(jù)不同位置煙氣特征針對(duì)性地調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)厣淞鞯撵F化參數(shù)對(duì)提高SNCR脫硝效率很有必要。

本文對(duì)某220MW煤粉鍋爐的燃燒、NOx生成及SNCR過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，探索SNCR區(qū)域流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和出口組分場(chǎng)的分布特征及其對(duì)爐內(nèi)氣液混合和脫硝反應(yīng)的影響，重點(diǎn)研究不同位置還原劑的霧化粒徑、噴入量的優(yōu)化規(guī)律，以獲得更好更經(jīng)濟(jì)的脫硝效果。

1 模擬對(duì)象

本文研究對(duì)象為某220MW四角切圓煤粉鍋爐，爐膛尺寸為11.92m×10.88m×42.5m，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鍋爐經(jīng)空氣分級(jí)燃燒技術(shù)改造后，在主燃區(qū)上方加入分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴，其中，主燃區(qū)燃燒器軸線與爐膛前、后墻夾角分別為39°和45°，SOFA噴嘴反切10°。BMCR工況下，鍋爐進(jìn)口一次風(fēng)、二次風(fēng)（及SOFA風(fēng)）速度分別為26m/s、45m/s，風(fēng)溫分別為353K、583K。煤粉速度、溫度與一次風(fēng)相同，給煤總量為29.2kg/s，燃料特性見(jiàn)表1。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)、SNCR系統(tǒng)及網(wǎng)格劃分示意圖

表1 燃料的元素分析及工業(yè)分析

在鍋爐網(wǎng)格劃分過(guò)程中，由于爐膛四角入口速度方向與壁面形成近45°角，為了減少偽擴(kuò)散，鍋爐燃燒區(qū)域橫截面采用圖1中與流動(dòng)方向一致的星形網(wǎng)格[9]，考慮到燃燒器入口梯度較大，對(duì)其附近網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。將燃燒與SNCR部分分開(kāi)計(jì)算，取爐膛高26m截面為SNCR計(jì)算入口，由鍋爐BMCR工況下燃燒及NOx生成的數(shù)值模擬結(jié)果提供入口來(lái)流條件。為了確定滿足數(shù)值模擬計(jì)算要求的網(wǎng)格精度，采用3種不同數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。由表2驗(yàn)證結(jié)果可知，162萬(wàn)網(wǎng)格與最高精度的284萬(wàn)網(wǎng)格的數(shù)值模擬結(jié)果最大相對(duì)偏差為6.53%，顯示出162萬(wàn)網(wǎng)格已具備較好的計(jì)算精度。綜合更高計(jì)算準(zhǔn)確度和運(yùn)算效率的考慮，最終確定鍋爐網(wǎng)格總數(shù)為226萬(wàn)，其中，SNCR部分的網(wǎng)格數(shù)為86萬(wàn)。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

電站SNCR系統(tǒng)分兩層（記為A層和B層）布置在28.5m和31.5m高度處，A層前墻和兩側(cè)墻共布置13支噴槍?zhuān)珺層前墻布置有5支噴槍。稀釋后質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的尿素溶液經(jīng)蒸汽霧化后噴入爐膛，調(diào)節(jié)霧化壓力可以改變噴槍流量和射流液滴粒徑。本文基準(zhǔn)噴射工況與現(xiàn)場(chǎng)BMCR負(fù)荷運(yùn)行時(shí)一致，噴槍流量為180L/h（對(duì)應(yīng)于NSR=1.2），噴霧錐角約為60°，液滴平均粒徑約為200μm。研究射流特征時(shí)，液滴粒徑采用歸一化平均直徑；模擬SNCR過(guò)程時(shí)，液滴粒徑選擇Rosin-Rammler分布法則，最小直徑為30μm，最大直徑為800μm。

2 計(jì)算模型

鍋爐的燃燒模擬已相當(dāng)成熟，本文采用Realizablek-ε模型描述氣相湍流；采用離散相模型處理煤粉顆粒，Lagrange隨機(jī)軌道模型模擬顆粒運(yùn)動(dòng)；采用計(jì)算單元內(nèi)顆粒源項(xiàng)算法進(jìn)行氣固相間耦合。煤的熱解采用雙步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，揮發(fā)分燃燒采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型，焦炭燃燒釆用動(dòng)力-擴(kuò)散表面反應(yīng)速率模型。爐膛壁面滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，熱交換使用第二類(lèi)邊界條件，輻射傳熱使用P1模型。

在燃燒模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè) NOx生成，使用Beta-PDF模型計(jì)算湍流溫度/氧量脈動(dòng)的影響。煤粉爐內(nèi)NOx主要是燃料型和熱力型NOx，在計(jì)算中忽略快速型NOx。其中，熱力型NOx采用拓展的Zeldovich機(jī)理描述[10]，[O]和[OH]自由基選用部分平衡法計(jì)算。燃料型NOx采用De Soete模型[11]描述，假設(shè)揮發(fā)分氮以HCN和NH3的形式釋放出來(lái)，而焦炭氮?jiǎng)t直接氧化為NO。

尿素溶液作為還原劑的SNCR過(guò)程，根據(jù)ROTA[12]和NGUYEN[13]等提出的簡(jiǎn)化反應(yīng)機(jī)理，尿素噴霧進(jìn)入爐膛后，經(jīng)過(guò)水的蒸發(fā)（沸騰）、尿素分解后與NO反應(yīng)，其中，液滴采用離散相模型中的液滴傳熱、蒸發(fā)與沸騰子模型，尿素分解與SNCR過(guò)程共9步反應(yīng)模型，如表3所示。尿素顆粒運(yùn)動(dòng)亦符合隨機(jī)軌道模型。選用渦耗散概念模型（EDC）對(duì)湍流與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行耦合。

表3 尿素分解及簡(jiǎn)化SNCR反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將BMCR工況下?tīng)t膛截面煙氣平均溫度和爐膛出口O2、CO2和NO體積濃度的模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。其中，不同高度截面的平均溫度取自布置在鍋爐兩側(cè)墻觀火孔的紅外測(cè)溫儀在線示數(shù)的算數(shù)平均值；而爐膛出口煙氣組分濃度數(shù)據(jù)來(lái)自采樣點(diǎn)布置在省煤器出口的TR-9300型CEMS煙氣分析系統(tǒng)。由圖2可知，鍋爐BMCR工況下SOFA風(fēng)上方區(qū)域各截面平均溫度的模擬值與測(cè)量值吻合得很好，而爐膛出口O2、CO2和NO的濕基濃度的模擬值分別為3.28%、13.96%和155.8×10–6，與測(cè)量值3.1%、13.78%和152×10–6相比，最大誤差為5.81%，證明了鍋爐燃燒和NOx預(yù)測(cè)模擬結(jié)果的可靠性。截面平均溫度分布顯示A層噴口位于SNCR反應(yīng)理論溫度窗口下方1m左右，考慮到液滴的蒸發(fā)過(guò)程，選擇在高溫區(qū)域噴射能延長(zhǎng)還原劑的停留時(shí)間并減少未反應(yīng)NH3的泄漏[14]。

圖2 SOFA風(fēng)上方區(qū)域沿高度各截面平均溫度分布圖

3.2 射流特性分析

研究發(fā)現(xiàn)，爐膛內(nèi)液滴穿透能力對(duì)于氣液混合和煙氣脫硝有著重要影響[4-5]，而還原劑在SNCR反應(yīng)窗口溫度內(nèi)的停留時(shí)間是提高脫硝率的制約因素[15]。因此，研究射流在爐膛內(nèi)的穿透和蒸發(fā)過(guò)程中受煙氣參數(shù)的影響規(guī)律及其對(duì)脫硝效果的影響，就顯得尤為重要。

投入A層噴槍研究模擬煙氣流動(dòng)下射流軌跡特征，噴槍流量為180L/h，霧化粒徑采用均一直徑300μm。圖3為射流軌跡的俯視圖，A層射流進(jìn)入爐膛后，隨煙氣流動(dòng)旋轉(zhuǎn)上升，穿透距離有限，且不同位置射流的軌跡和穿透深度有明顯差異。分析可知，SNCR區(qū)域爐膛內(nèi)煙氣殘余逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)切圓，其對(duì)不同位置射流的影響必然存在差別。將A層噴口（除前墻中心噴口外）相對(duì)切圓旋向分為順流和逆流兩類(lèi)，圖3中標(biāo)識(shí)S形為順流型噴口，其噴射方向與切圓旋向夾角小于90°；N形為逆流型噴口，其噴射方向與切圓旋向夾角大于90°。

在圖3工況下，順流型噴霧在爐膛中平均最大蒸發(fā)時(shí)間為0.42s，穿透深度為3.78m；逆流型噴霧平均最大蒸發(fā)時(shí)間為0.45s，穿透深度為1.86m?？梢?jiàn)受煙氣旋流的影響，順流型噴霧液滴在氣流流動(dòng)的推力作用下，不斷往爐膛中心深入，穿透深度更大；而逆流型噴霧穿透能力受到削弱，要進(jìn)入爐膛更深位置，必須增大其噴射動(dòng)量。這對(duì)SNCR脫硝過(guò)程有著顯著影響，將在下文予以討論。

由于煙氣在SNCR溫度窗口內(nèi)停留時(shí)間有限，而液滴完全蒸發(fā)后與煙氣混合、反應(yīng)必須保證充足的反應(yīng)時(shí)間0.3～0.5s[16-17]，可見(jiàn)，液滴的蒸發(fā)時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)。王海濤等[18]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)高溫?zé)煔庵幸旱握舭l(fā)速度影響最大的因素是其霧化粒徑，選取受煙氣旋流影響相對(duì)較小的前墻中心噴口進(jìn)行不同粒徑液滴蒸發(fā)的模擬研究。就對(duì)溫度十分敏感的SNCR反應(yīng)而言，射流特性研究必須考量液滴蒸發(fā)時(shí)的當(dāng)?shù)販囟葼顩r[5]。圖4為基準(zhǔn)流量180L/h，不同粒徑工況下，A、B層前墻中心噴口液滴當(dāng)?shù)販囟扰c蒸發(fā)時(shí)間的聯(lián)合分布。從A層噴口來(lái)看，粒徑小的液滴剛性差，穿透能力不足，還原劑滯留在外圍低溫區(qū)；相反，粒徑大的液滴，剛性強(qiáng)，還原劑能夠深入主流高溫區(qū)，但是蒸發(fā)時(shí)間明顯增加[7]；粒徑增大到500μm時(shí)，不少液滴的當(dāng)?shù)販囟纫呀?jīng)超過(guò)溫度窗口的上限，甚至有部分液滴在溫度窗口內(nèi)未能完全蒸發(fā)而“逃逸”到下游低溫區(qū)。圖4(b)中，B層噴口不同粒徑液滴的當(dāng)?shù)販囟日w較低，而向低溫區(qū)域的“逃逸”現(xiàn)象更加明顯。對(duì)于不同高度的射流，其進(jìn)入爐膛后隨煙氣在溫度窗口內(nèi)的平均停留時(shí)間存在差別，A、B層液滴應(yīng)當(dāng)具有不同的最佳平均粒徑。比較而言，A層射流在溫度窗口內(nèi)停留時(shí)間更久，液滴獲得更長(zhǎng)的蒸發(fā)時(shí)間，可見(jiàn)，A層射流適應(yīng)較大粒徑的液滴。

圖3 A層射流蒸發(fā)軌跡俯視圖

圖4 基準(zhǔn)流量下，A、B層前墻中心噴口不同粒徑液滴的當(dāng)?shù)販囟扰c蒸發(fā)時(shí)間的聯(lián)合分布

3.3 脫硝模擬及優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)BMCR工況下投用A、B兩層18支噴槍?zhuān)瑖姌尀榛鶞?zhǔn)工況參數(shù)。圖1中，將出口截面按與旋流的相對(duì)方向分為順流側(cè)出口和逆流側(cè)出口（爐內(nèi)空間分別對(duì)應(yīng)順流側(cè)和逆流側(cè)）。圖5給出了BMCR工況下出口NO和NH3濃度分布云圖，可以看出，兩側(cè)出口污染物濃度存在很大偏差：順流側(cè)出口NO體積流量占NO總流量的33.8%，NH3體積流量占NH3總流量的75.9%。由射流軌跡可知，受煙氣旋流影響，還原劑隨煙氣旋轉(zhuǎn)上升過(guò)程中，會(huì)從逆流側(cè)向順流側(cè)“富集”。在順流側(cè)，NO大量被還原，出口NO濃度較??；對(duì)于該側(cè)S形射流，穿透能力強(qiáng)，其中粒徑較大的液滴停留時(shí)間久，更容易隨煙氣進(jìn)入到下游區(qū)域，造成該側(cè)出口氨泄漏較多。逆流側(cè)還原劑的流失，削弱了當(dāng)?shù)孛撓跄芰Γ隹谖捶磻?yīng)的NO較多；該側(cè)少量氨泄漏主要由于N形射流穿透能力受到抑制，NH3滯留在近壁面區(qū)并被煙氣裹挾至爐膛頂部而漏失。煙氣旋流導(dǎo)致的不同位置脫硝效果的差異，恰恰體現(xiàn)了SNCR中根據(jù)噴槍位置調(diào)整還原劑噴入量的必要性。

圖5 基準(zhǔn)噴射工況下出口NO與NH3的體積分?jǐn)?shù)

為了促進(jìn)SNCR脫硝的氣液混合、反應(yīng)過(guò)程與爐膛內(nèi)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)的良好耦合，對(duì)不同位置射流的霧化參數(shù)分布提出兩步優(yōu)化策略：①基于不同高度射流液滴蒸發(fā)時(shí)間的差別，對(duì)A、B兩層液滴的平均霧化粒徑進(jìn)行分層優(yōu)化；②基于爐膛內(nèi)煙氣旋流對(duì)脫硝效果的影響，在固定氨氮摩爾比下，調(diào)整順流側(cè)和逆流側(cè)噴槍的流量分配。

圖6(a)中，保持噴槍流量為180L/h，液滴平均粒徑統(tǒng)一地從100μm增加到500μm時(shí)，脫硝率先增加后降低，漏氨量則先降低后逐漸升高。小液滴穿透能力弱，只能還原近壁面區(qū)的NO，導(dǎo)致系統(tǒng)還原率較低和未反應(yīng)的氨泄漏嚴(yán)重。粒徑大的液滴，穿透能力強(qiáng)，能進(jìn)入到爐膛中心區(qū)域，但可能高溫氧化生成NO；蒸發(fā)時(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致液滴在SNCR溫度區(qū)間沒(méi)有完全蒸發(fā)，脫硝反應(yīng)不充分，還原率降低，而其在下游釋放還會(huì)造成氨逃逸量增加，尤其對(duì)上層射流更為嚴(yán)重，這在YANG等[19]的脫硝試驗(yàn)結(jié)果中得到驗(yàn)證。綜合來(lái)看，平均粒徑300μm的液滴在穿透能力和蒸發(fā)時(shí)間上的平衡最佳，獲得較好的脫硝效果。以統(tǒng)一平均粒徑300μm為優(yōu)化基準(zhǔn)，調(diào)整A、B層液滴的霧化平均粒徑（A層液滴設(shè)以較大粒徑），通過(guò)數(shù)值模擬，確定本文最佳粒徑優(yōu)化方案為：A層平均粒徑300μm，B層為200μm，其脫硝率相比統(tǒng)一平均粒徑300μm方案略有提升，且氨泄漏量明顯減少。

以分層粒徑最佳優(yōu)化方案為基礎(chǔ)進(jìn)行射流流量?jī)?yōu)化，定義某氨氮摩爾比下的逆流側(cè)當(dāng)量流量比為逆流側(cè)噴槍流量與基準(zhǔn)流量（NSR=1.2時(shí)為180L/h）之比。圖6(b)中，當(dāng)從0.88增加到1.67時(shí)，脫硝率先有所增加后逐漸降低，漏氨量則先減少后顯著增加。適量增大（＜1.4）時(shí)，對(duì)N形噴口較多的逆流側(cè)，液滴穿透能力不足的情況得到改善，更多還原劑進(jìn)入到爐膛較深處與NO反應(yīng)，同時(shí)，還原劑向順流側(cè)的“富集”弱化了該側(cè)射流量減少的影響，系統(tǒng)總還原率提高；另一方面，煙氣旋流致使部分射流在溫度窗口的軌跡延長(zhǎng)、停留時(shí)間增大，最終出口氨泄漏量稍有降低。當(dāng)＞1.4時(shí)，大量的還原劑在逆流側(cè)滯留、漏失，而順流側(cè)由于還原劑量過(guò)低，脫硝能力不足，導(dǎo)致系統(tǒng)總的脫硝效率下降。

圖6 不同噴射工況下脫硝率和漏氨量的變化曲線

圖7 優(yōu)化噴射工況下出口NO與NH3的體積分?jǐn)?shù)

3.4 氨氮摩爾比的影響

為了減少NOx排放量，電站現(xiàn)場(chǎng)通常會(huì)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沿用噴槍其他基準(zhǔn)參數(shù)，增加還原劑的噴入量，亦即提高SNCR反應(yīng)的氨氮摩爾比。圖8中，隨著NSR增大，系統(tǒng)還原率提高，模擬結(jié)果與測(cè)量值吻合較好；而漏氨量也隨之增加。過(guò)量的氨泄漏存在腐蝕尾部煙道受熱面，造成空氣預(yù)熱器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，且可能影響到下游脫硫工藝的效果[20]。實(shí)際應(yīng)用中，該電站基準(zhǔn)噴射工況下漏氨量高達(dá)(25～30)× 10–6（6%氧量），受氨泄漏偏多的影響，一方面會(huì)定期停爐吹掃清灰，同時(shí)調(diào)理脫硫塔漿液氨氮濃度，另一方面會(huì)限制還原劑的噴入總量，并尋求降低氨逃逸的運(yùn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)分層粒徑、兩側(cè)流量?jī)?yōu)化（取固定值1.25），液滴蒸發(fā)后與煙氣能夠更好地混合、反應(yīng)，在同等NSR下，優(yōu)化方案脫硝效率更高且氨泄漏量明顯降低。圖8中，優(yōu)化效果隨著NSR增大呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。因?yàn)檫€原劑噴射總量的增加，延長(zhǎng)了蒸發(fā)時(shí)間，提高了射流穿透能力，從而減弱了流量?jī)?yōu)化的效果（即最佳方案趨近于1）?？偟膩?lái)看，基于煙氣參數(shù)對(duì)不同位置射流粒徑和噴入量的優(yōu)化，能夠在保證一定脫硝率的同時(shí)，降低還原劑的消耗量，減少氨漏失。

圖8 SNCR系統(tǒng)脫硝率和漏氨量隨NSR的變化曲線

4 結(jié)論

從對(duì)脫硝效果影響的角度分析了大型四角切圓鍋爐SNCR區(qū)域流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和出口組分濃度的分布特征，據(jù)此對(duì)還原劑射流的霧化粒徑、流量等參數(shù)進(jìn)行了模擬優(yōu)化。得出以下結(jié)論。

（1）在爐膛內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)氣流影響下，S形射流穿透能力增強(qiáng)，N形射流穿透能力受到抑制；還原劑隨煙氣向爐膛順流側(cè)“富集”，爐膛內(nèi)氣液混合、反應(yīng)后，出口氨氮分布不均，系統(tǒng)脫硝效果受到影響。

（2）增大液滴霧化粒徑能夠提高其穿透能力，但會(huì)延長(zhǎng)蒸發(fā)時(shí)間。為了保證液滴完全蒸發(fā)后具有充足的反應(yīng)時(shí)間，其最佳平均粒徑隨高度而改變。300μm/200μm的A/B分層平均粒徑優(yōu)化方案，相比統(tǒng)一平均粒徑下的最佳方案，氨泄漏量明顯減少。

（3）固定還原劑總噴入量，適當(dāng)增加逆流側(cè)流量，有助于緩解還原劑向順流側(cè)“富集”的影響：系統(tǒng)還原率升高，氨泄漏量降低。當(dāng)逆流側(cè)流量增加到一定程度后，該側(cè)還原劑反應(yīng)不完全，而順流側(cè)還原劑量不足，導(dǎo)致脫硝率降低。

基于煙氣參數(shù)的還原劑霧化粒徑和噴入量的優(yōu)化方案改善了還原劑與NO的混合、反應(yīng)條件，在相同NSR下，獲得了更好的脫硝效果，但是優(yōu)化程度隨NSR的增大而略有降低。

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The simulative optimization of atomization diameter and spray flux of reductant based on fume parameters in selective non-catalytic reduction（SNCR）process

ZHU Xiaoming1，JIN Baosheng1，LEI Da2，WANG Xiaojia1
（1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China；2Nanjing Longyuan Environmental Corporation，Nanjing 210012，Jiangsu，China）

To reduce the effect of unevenly-distributed fume parameters on the selective non-catalytic reduction （SNCR），the state distribution of fume and its effect on the NOxremoval efficiency of a 220 MW coal fired boiler were numerically studied. Meanwhile，the optimization methods for atomization diameter and spray flux of reductant were discussed. It is found that the most suitable average diameter of spray drops varies at different heights to guarantee the sufficient reaction time of SNCR process in the temperature window. Furthermore，a whirl flow remains in the SNCR area，along with which reductants are enriched to partial furnace，thus causing an uneven distribution of NH3/NO at the outlet. Accordingly，optimization strategies of atomization parameters are proposed：①Optimizing the average diameter of spray drops at different heights by layer；②Adjusting the distribution of spray flux in different regions according to the whirlwind characters under certain fixed molar ratio of NH3/NO. The simulation results indicate that the optimization plan can promote NOxremoval efficiency to 42.1% from 36.8% and reduce NH3slip by 49% compared to those of fiducial injection condition at the powerplant under a NH3/NO molar ratio of 1.2. In addition，the optimization method gains preferred denitration results under higher NH3/NO molar ratios，while the effects of optimization slightly descend simultaneously.

selective non-catalytic reduction；atomization diameter；spray flux；simulation；optimization

X511

：A

：1000–6613（2017）02–0720–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.044

2016-06-20；修改稿日期：2016-08-02。

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（BA2015083）。

朱小明（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)槊悍坼仩t燃燒及脫硝過(guò)程的數(shù)值模擬和工程試驗(yàn)。E-mail：xmzhu@seu.edu. cn。聯(lián)系人：金保昇，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槊汉蜕镔|(zhì)發(fā)電技術(shù)及其相關(guān)的氣固流動(dòng)和熱質(zhì)傳遞。E-mail：bsjin@seu.edu.cn。