程智海 時(shí)光輝 趙玉偉 劉海龍

上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

氮氧化物是工程中重點(diǎn)控制排放的污染物，分級燃燒技術(shù)、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、非選擇性催化還原技術(shù)（SNCR）和聯(lián)合脫硝技術(shù)是現(xiàn)在大型燃煤電廠控制NOx的主要技術(shù)手段[1]。在未來燃煤電廠環(huán)保改造的大環(huán)境下，SNCR作為一種改造成本低，調(diào)節(jié)控制簡易的技術(shù)將有更大的應(yīng)用空間。SNCR脫硝技術(shù)是在溫度窗口（900～1100℃）通過脫硝噴槍向爐膛內(nèi)部噴入還原劑與鍋爐內(nèi)的煙氣均勻混合，經(jīng)過無催化劑的氧化還原反應(yīng)，脫除煙氣中的氮氧化物[2]。因尿素溶液相比氨氣的氨污染更低，且噴射擴(kuò)散性能更好，電廠SNCR脫硝的還原劑使用尿素溶液有更優(yōu)的效果[3]。一些研究者對中小型鍋爐的SNCR脫硝過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，本文借助CFD平臺，模擬660 MW電廠鍋爐在不同的氨氮比時(shí)情況下SNCR脫硝運(yùn)行的效果。

1 研究對象與幾何建模

對一臺超超臨界、四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行建模，爐寬、爐深、爐高分別為20.336 m、19.230 m、70.151 m。模擬計(jì)算是先進(jìn)行脫硝前的滿負(fù)荷燃燒計(jì)算和氮氧化物計(jì)算，然后對爐膛上部的SNCR反應(yīng)進(jìn)行脫硝計(jì)算。為了減少模擬整體的計(jì)算量，對爐膛頂部內(nèi)的換熱器進(jìn)行適當(dāng)簡化。SNCR反應(yīng)區(qū)計(jì)算域的結(jié)構(gòu)圖見圖1。爐膛內(nèi)的8片屏式過熱器和43片末級過熱器的位置和各層脫硝噴槍的高度見圖1所示

圖1 SNCR計(jì)算域結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，爐膛頂部有6個(gè)尿素溶液噴射區(qū)，尿素溶液通過脫硝噴槍在不同高度位置向爐內(nèi)垂直噴射與爐膛內(nèi)煙氣混合。第一層在前墻51.2 m高度處布置有6個(gè)脫硝噴槍，其余3面墻各布置4個(gè)脫硝噴槍；第二層和第三層分別在前墻57 m和61.81 m高度處設(shè)置有6個(gè)脫硝噴槍；第四、五、六層脫硝噴槍嵌在分隔屏式過熱器與屏式過熱器之間，在兩側(cè)墻均布置了脫硝噴槍，高度分別為58.25 m、62.3 m、66.05 m，第四、第五和、第六層噴槍距前墻15 m。

模擬邊界條件根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)定，計(jì)算模型進(jìn)口一次風(fēng)、二次風(fēng)速度分別為33 m/s和60 m/s，溫度分別為348 K和606 K。煤粉的平均直徑為25μm，分布指數(shù)為1.15，溫度為525 K，滿負(fù)荷鍋爐進(jìn)煤流量為74.4 kg/s。分割式屏式過熱器的換熱溫度為740 K，末級過熱器的換熱溫度為780 K.。通過脫硝噴槍噴入的霧化尿素溶液與爐膛內(nèi)煙氣的均勻混合效果決定SNCR的脫硝效率。因此，提高均勻混合程度依靠脫硝噴槍有良好的還原劑霧化性能。還原劑霧化質(zhì)量指標(biāo)包括合適的液滴粒徑，液滴粒徑過大不易與煙氣均勻混合，過小難以深入爐膛深部反應(yīng)區(qū)；覆蓋SNCR反應(yīng)區(qū)的霧化角，霧化角過大不利于還原劑聚集在理想的SNCR反應(yīng)區(qū)高度。根據(jù)尿素溶液噴槍參數(shù)與特性，確定脫硝噴槍噴出的液滴粒徑由Rosin-Rammler分布控制，液滴粒徑范圍為60μm～120μm，分布指數(shù)為1.15，粒徑分組數(shù)為10，平均粒徑為100μm，脫硝噴槍噴射速度參數(shù)為30 m/s。各層噴槍的流量根據(jù)尿素溶液與氮氧化物的氨氮比調(diào)節(jié)。

鍋爐頂部有非常多的過熱器屏、再熱器屏進(jìn)行煙氣換熱，全部劃分的網(wǎng)格數(shù)會(huì)較多，對計(jì)算機(jī)的要求較高．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(dāng)減少屏的數(shù)量，這樣網(wǎng)格數(shù)會(huì)相應(yīng)減少。將鍋爐幾何體劃分為不同幾何區(qū)，對爐膛頂部SNCR反應(yīng)區(qū)的網(wǎng)格加密，使用標(biāo)準(zhǔn)六面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分總網(wǎng)格數(shù)為156萬，網(wǎng)格劃分情況見圖2-1和圖2-2。

圖2-1 網(wǎng)格劃分正視圖

圖2-2 網(wǎng)格劃分俯視圖

2 SNCR模擬數(shù)學(xué)模型

煙氣脫硝SNCR反應(yīng)可以看作是涉及熱輻射的湍動(dòng)流反應(yīng)系統(tǒng)，包含流體傳熱、尿素?zé)峤鈸]發(fā)、液體氣體兩相流、動(dòng)力化學(xué)反應(yīng)。

其中煤粉、煙氣、液滴的湍流流動(dòng)使用離散相來處理[4]。對于實(shí)際情況，煤粉和溶液在大空間爐膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌道是可以看作隨機(jī)分布的，爐內(nèi)離散相用粒子拉格朗日隨機(jī)軌道模型來模擬。煤粉燃燒的鍋爐內(nèi)，爐膛輻射傳熱占爐膛傳熱量95%以上，模擬采用p1輻射模型?？紤]需要模擬射流撞擊、旋流等復(fù)雜混合流動(dòng)，湍流方程模型采用RNG k-ε雙方程模型[5]。使用湍流漩渦耗散概念模型（EDC）來模擬尿素溶液與煙氣的綜合脫硝化學(xué)反應(yīng)，EDC模型將詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理納入湍流反應(yīng)流中，模型認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在不連續(xù)的湍流能量耗散區(qū)域中。

EDC模型引入良好尺度[6]視為化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)范圍區(qū)，反應(yīng)區(qū)在很小的湍流結(jié)構(gòu)中。良好尺度的計(jì)算公式為（1）：

式中：?ξ──容積比率常數(shù)2.137 7；

ν──運(yùn)動(dòng)黏度

該模型認(rèn)為在良好尺度范圍內(nèi)，化學(xué)反應(yīng)在流體反應(yīng)區(qū)滯留時(shí)間時(shí)間τ*之后進(jìn)行。計(jì)算如下：

式中：?τ──時(shí)間尺度常數(shù)0.4072

Arrhenius方程[7]決定化學(xué)反應(yīng)速率，前向速率常數(shù)k由公式（3）得到：

式中：Ar──指數(shù)前因子；

βr──溫度指數(shù)；

Er──反應(yīng)活化能；

R──氣體常數(shù)。

將尿素和水配置為質(zhì)量1：9的尿素溶液作為還原劑，用噴槍霧化均勻噴入爐膛內(nèi)部，經(jīng)過高溫下水的蒸發(fā)、尿素?zé)岱纸狻NCO水解和氨氣生成，然后氨氣再還原氮氧化物，一部分氨氣在過量氧氣條件下在被氧化成NO[8]，對于溶液中的尿素采用（3）的熱分解反應(yīng)公式[9]。

由于SNCR反應(yīng)區(qū)的溫度遠(yuǎn)高于尿素?zé)岱纸獾臏囟?00 K，所以在尿素溶液噴入爐膛后，假定尿素瞬間完全分解為氨氣。對于尿素溶液熱解生成的NH3參與氮氧化物的氧化還原反應(yīng)，模型使用Ostberg和Dam-Johansen建立的兩步反應(yīng)模型[10]，反應(yīng)區(qū)的溫度超過SNCR的理想反應(yīng)溫度時(shí)，NH3被氧化為NO的反應(yīng)（6）速率比反應(yīng)（5）更快；反應(yīng)區(qū)的溫度在SNCR溫度窗口內(nèi)，NO被NH3還原成N2的反應(yīng)（5）速率比反應(yīng)（6）更快。

本文采用的簡化還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[9]：

反應(yīng)(5)中Ar=4.240E+08 cm3/mol-sec，βr=5.30，Er=349 937.06 J/gmol；反應(yīng)(6)中Ar=3.500E+05 cm3/mol-sec，βr=7.65，Er=524 487.005 J/gmol。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 爐內(nèi)溫度（K）分布

在57 m以下爐膛溫度基本上超出SNCR脫硝的理想溫度窗口，在1 300度以上，因此在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，一區(qū)二區(qū)和四區(qū)的脫硝噴槍需退出使用。而三區(qū)、五區(qū)、六區(qū)尿素溶液噴槍高度區(qū)域的爐膛溫度在1 200 K到1 400 K之間，在SNCR的溫度窗口內(nèi)。6區(qū)噴槍附近區(qū)域溫度接近1 200K，存在氧化還原反應(yīng)，但是SNCR反應(yīng)速率偏慢，會(huì)有部分氨氣漏失。根據(jù)模擬結(jié)果控制脫硝噴槍投用，高度為61.81 m的3區(qū)脫硝噴槍噴入總量40%的還原劑，高度為62.3 m的5區(qū)脫硝噴槍噴入總量45%的尿素溶液，高度為66.05 m的6區(qū)脫硝噴槍噴入總量15%的尿素溶液。

在鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，對爐膛噴入不同流量的尿素溶液，模擬氨氮比為1、1.5、2、2.5四種情況下的SNCR脫硝效果。

圖3 爐膛中心截面溫度分布（K）

3.2 NO分布情況

由圖4-1～圖4-4所示為氨氮摩爾比分別為1.0、1.5、2.0、2.5時(shí)的NO縱截面分布情況。從圖中可以看出，由于大型燃煤鍋爐尺寸更大，尿素溶液無法深入爐膛中心區(qū)域與煙氣混合所以脫硝效果很差，氮氧化物濃度基本不變，而大部分脫硝反應(yīng)發(fā)生在尿素溶液霧化區(qū)域4米內(nèi)，表明SNCR反應(yīng)溫度窗口和爐膛內(nèi)的湍流流動(dòng)是脫硝效果的重要影響因素。

而且從圖中可以看出煙氣通過屏式過熱器后，由于溫度降低，基本不發(fā)生脫硝反應(yīng)，NO濃度變化較小。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)在氨氮比增加的情況下，脫硝反應(yīng)速率更大，更多的NO被還原成N2，但同時(shí)脫硝效率增加的更慢，氨氣的漏失量增加。根據(jù)氧化還原化學(xué)過程分析，是氧化還原反應(yīng)速率的限制，尿素?zé)峤馍傻腘H3增加到一定值達(dá)到飽和，所以脫硝效率的變化更趨于穩(wěn)定。

圖4-1 氨氮比為1時(shí)NO濃度分布(μmol/mol)

圖4-2 氨氮比為1.5時(shí)NO濃度分布(μmol/mol)

圖4-3 氨氮比為2.0時(shí)NO濃度分布(μmol/mol)

圖4-4 氨氮比為2.5時(shí)NO濃度分布(μmol/mol)

計(jì)算得到在鍋爐最大負(fù)荷運(yùn)行條件下，氨氮比為 1、1.5、2、2.5時(shí)，SNCR 脫硝效率分別為25.9%、29.3%、31.2%、32.2%，NH3漏失量分別為 5 μmol/mol、11.2 μmol/mol、26.5 μmol/mol、46.1 μmol/mol?？梢缘弥诎钡?到2范圍增加時(shí)，NH3將NO還原為N2為主要反應(yīng)，更多的NH3產(chǎn)生參與爐膛內(nèi)的脫硝反應(yīng)，使脫硝效率明顯增大，漏氨量變化較??；而當(dāng)氨氮比超過2時(shí)，還原劑飽和，競爭反應(yīng)NH3被氧化為NO速率增加，所以出現(xiàn)脫硝率增加變慢，漏氨量增大的情況與工程實(shí)際情況基本吻合。根據(jù)該鍋爐SNCR反應(yīng)模擬結(jié)果，將還原劑和氮氧化物的氨氮比控制在1.5附近可以達(dá)到較理想的脫硝效果。

4 結(jié)論

為了提高脫硝效率，控制氨氣污染，大型燃煤電廠爐膛溫度場、流場梯度大需要根據(jù)不同負(fù)荷情況下的爐膛內(nèi)部溫度場分布，來協(xié)調(diào)控制不同高度位置的脫硝噴槍投入使用，并選擇最合適的氨氮比調(diào)節(jié)尿素溶液的流量。鍋爐滿負(fù)荷工況下，低于57 m的爐膛內(nèi)部溫度超過SNCR反應(yīng)窗口，所以應(yīng)采用3區(qū)、5區(qū)、6區(qū)的的噴槍控制氨氮比在1.5附近可以達(dá)到更理想的SNCR脫硝效果，在漏氨量為11.2 μmol/mol滿足工業(yè)漏氨控制要求的同時(shí)，脫硝率可以達(dá)到29.3%。