SNCR過程還原劑與煙氣混合特性數(shù)值研究

杜雙琦，張光學，池作和，孫公鋼，王進卿

（中國計量學院 計量測試工程學院，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、選擇性催化還原脫硝（selective catalytic reduction，SCR）技術和低NOx燃燒技術等.SCR技術能實現(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，同時具有建設周期短、改造方便等優(yōu)勢［4］.

SNCR技術是將氨氣、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生成氮氣和水.研究表明［5－8］，在混合良好的情況下，SNCR 可達到80%以上的脫硝率.但在實際應用中，尤其對于大型燃煤鍋爐，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，對選擇性非催化還原脫硝技術的還原劑與煙氣的混合特性的研究，是提高該技術脫硝率的關鍵之一.

本文對某電廠220t／h燃煤蒸汽鍋爐SNCR過程中還原劑與煙氣的混合情況進行數(shù)值模擬，以相對標準偏差作為衡量混合程度的定量指標，考察了還原劑液滴粒徑、噴射速度、還原劑流量和鍋爐負荷等因素對混合程度的影響，以期為SNCR的工業(yè)應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，中間儲倉式乏氣送粉，共2層8個一次風燃燒器噴口.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，鍋爐本體最高點標高31600mm.SNCR還原劑噴射系統(tǒng)布置在20000mm標高處，共設有8個噴口，前后墻各4個.采用結構化六面體對鍋爐網(wǎng)格劃分，在燃燒器區(qū)域和噴口附近進行局部加密，總網(wǎng)格數(shù)目為87萬.

計算中，SNCR還原劑為質(zhì)量分數(shù)10%尿素溶液，氨氮比取1.4.

圖1 數(shù)值計算幾何模型及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 氣相流動模型

爐內(nèi)氣流流動為三維湍流反應流，采用廣泛使用的k－ε雙方程湍流模型進行求解.氣相流動模型包括連續(xù)性方程、動量方程、k與ε兩個輸送方程，其統(tǒng)一表達式為：

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

1.2.2 液滴蒸發(fā)模型

液滴蒸發(fā)是一種復雜的物理現(xiàn)象，包括傳熱和傳質(zhì)兩個交錯進行的過程.其中傳質(zhì)系數(shù)kc可由努塞爾關聯(lián)式得到［10］：

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

根據(jù)液滴蒸發(fā)時周圍邊界層的換熱機理，熱傳遞數(shù)BT計算式如下［11］：

式中L是液滴在表面溫度TS下的汽化潛熱，T∞為當?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)時所需熱量的比值.

1.2.3 隨機軌道模型

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

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

1.3 混合特性衡量方法

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

相對標準偏差即標準偏差與測量結果算術平均值的比值，表達式如下：

通過計算爐內(nèi)某個區(qū)域內(nèi)還原劑濃度的相對標準偏差值，便可以對該區(qū)域內(nèi)還原劑與煙氣的混合程度進行評估，偏差越小則表明混合效果越好.

2 計算結果及分析

2.1 爐內(nèi)溫度場分布

圖2為爐內(nèi)溫度場分布計算結果，主燃區(qū)溫度較高，最高燃燒溫度可達到1500℃，爐膛出口溫度為950℃左右.適合SNCR反應的溫度窗口為900～1100℃，結合數(shù)值模擬，將還原劑噴射點設置在20000mm標高處.

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，迅速擴散到鍋爐煙氣中.由于爐膛溫度高、還原劑溶液沸點低、粒徑小，這一過程進行得很快，液滴在爐內(nèi)的停留時間很短.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混合均勻性的影響，計算條件為霧化粒徑300μm，流量188kg／h，鍋爐負荷為100%.由圖可見，還原劑進入爐膛的速度越高，鍋爐各標高截面還原劑分布RSD值越低，表明混合效果越好.這是因為，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，還原劑只能在噴射點附件蒸發(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.

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

2.4 還原劑流量的影響

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

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

2.5 鍋爐負荷的影響

圖7為鍋爐負荷對還原劑混合均勻性的影響，計算條件為霧化粒徑300μm，流量188kg／h，噴射速度50m／s.計算結果表明，鍋爐負荷對混合程度的影響比較明顯，負荷越低，混合越均勻.這是因為鍋爐負荷降低，使煙氣速度降低，煙氣和還原劑在爐內(nèi)的停留時間增加，促進兩者之間的混合.

圖7 鍋爐負荷對混合效果的影響Figure 7 Influence of boiler load on mixing degree

2.6 還原劑液滴粒徑的影響

還原劑液滴粒徑對混合情況的影響如圖8所示，計算條件為：還原劑噴射速度50m／s、流量188kg／h，鍋爐負荷為100%，縱坐標為22000mm標高橫截面還原劑濃度的RSD值.由圖可見，粒徑對混合情況的影響比較復雜，當粒徑過小時，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，當粒徑過大時，液滴加熱至沸騰需要的時間過長，且容易噴射至對面水冷壁上，導致混合效果不佳.計算結果表明，對于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 粒徑對混合效果的影響Figure 8 Influence of droplet size on mixing degree

3 結 語

本文對220t／h燃煤鍋爐SNCR過程還原劑與煙氣的混合情況進行了數(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荷對混合情況的影響.針對此臺鍋爐得到以下結論：

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）鍋爐負荷越低，還原劑與煙氣的停留時間越大，混合程度越好.

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

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