水泥分解爐SNCR脫硝的數(shù)值模擬研究

張樂宇，張忠孝，陳立新，付艷輝

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.北京漢能清源科技有限公司，北京 100071）

我國水泥年產(chǎn)量已達(dá)24億t，占世界水泥產(chǎn)量的55%，其生產(chǎn)過程需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤2.6億t和電2 000億kW·h。水泥生產(chǎn)會導(dǎo)致大氣污染物的大量排放，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，其中氮氧化物（NOx）的排放占全國排放量的8%～10%，僅次于火力發(fā)電和汽車尾氣。NOx是形成酸雨、光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)之一，也是形成灰霾的主要前體物和重要的大氣污染物。我國《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中指出，水泥等重污染行業(yè)應(yīng)大力推進(jìn)清潔能源的使用，大幅削減NOx等大氣污染物的排放[1]。

對于水泥生產(chǎn)線而言，脫硝較常采用選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）和選擇性非催化還原（selective non-catalytic reduction，SNCR）[2]。由于SCR所使用的催化劑較易中毒，生產(chǎn)成本高[3]，因此大部分水泥生產(chǎn)線采用SNCR脫硝技術(shù)。本文采用數(shù)值模擬方法，分析影響SNCR脫硝效率的因素，并與生產(chǎn)線實際運行的脫硝效率進(jìn)行對比，在得到各因素對脫硝效率影響的基礎(chǔ)上，選取各因素最佳運行條件，得到優(yōu)化后的運行工況，較為顯著地提高了SNCR運行效率，為水泥生產(chǎn)線SNCR脫硝工藝的運行優(yōu)化提供了參考。

1 分解爐概述和數(shù)值模擬方法

1.1 分解爐結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

分解爐爐型為第三代TTF型，具有兩縮口、三噴騰特性，其立式剖面圖如圖1（a）所示。

依據(jù)分解爐實際尺寸，利用Gambit軟件建立三維模型，如圖1（b）所示。煤粉燃燒器分兩層布置，每層對稱布置2個，共布置4個；三次風(fēng)管位于爐體第一段主體起始位置處，呈對沖分布；水泥生料下料口位于爐體第二段主體靠近縮口處，水泥生料撒料箱位于爐體第一段主體與主燃區(qū)煤粉燃燒器所在高度持平。最下方為煙氣進(jìn)口，最上方為總出口，分解爐總體布局為九進(jìn)口一出口。

根據(jù)爐型特征，將模型主體按照兩縮口、三噴騰的設(shè)計劃分為6個區(qū)域，每個區(qū)域均以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為輔的原則劃分網(wǎng)格，在煤粉燃燒器噴口、煙氣進(jìn)口及三次風(fēng)管進(jìn)口附近采用局部網(wǎng)格加密處理。經(jīng)Fluent軟件檢測，網(wǎng)格總數(shù)約為106萬，數(shù)量適中，滿足計算要求。網(wǎng)格劃分如圖1（c）所示。

1.2 分解爐設(shè)計參數(shù)及邊界條件

表1 分解爐設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of precalciner

表2 實驗工況Tab.2 Experimental conditions

1.3 數(shù)值模擬方法

a.氣相湍流流動模型選擇可實現(xiàn)k-ε模型。

b.組分輸運模型中煤粉與CaCO3均采用有限速率/渦耗散模型。煤粉燃燒分為兩步反應(yīng)，先生成 CO，再生成 CO2，反應(yīng)式為2C+O2=2CO，2CO+O2=2CO2。CaCO3分解為一步反應(yīng)，反應(yīng)式為 CaCO3=CaO+CO2。

c.氣固兩相流選擇隨機(jī)顆粒軌道模型（DPM），跟蹤11 200個煤粉顆粒軌跡。

d.輻射傳熱模型選用離散坐標(biāo)（DO）模型，使用加權(quán)總和灰色氣體模型（WSGGM）來計算氣相的吸收系數(shù)。

e.在煤粉燃燒中，NOx根據(jù)形成原理不同可分為：熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx[4]。熱力型NOx是由氮氣在分解爐內(nèi)的高溫下被氧化形成，同時包含回轉(zhuǎn)窯輸入分解爐的底部進(jìn)口煙氣中的熱力型NOx含量；燃料型NOx是由燃料氮氧化形成；快速型NOx是在火焰前鋒面的快速反應(yīng)中形成。一般煤粉燃燒過程中快速型NOx占NOx總量的比例很小，可以忽略不計，因此只考慮熱力型及燃料型

采用NH3作為還原劑時，在溫度窗口900～1 100℃內(nèi)，NH3還原NOx的反應(yīng)機(jī)理為

當(dāng)反應(yīng)溫度超過溫度窗口時，副反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位：4NH3+5O2→4NO+6H2O，因此選取合適的位置使其溫度在反應(yīng)溫度窗口內(nèi)至關(guān)重要。

SNCR脫硝模型中氨水入射選用Droplet模型，入射溶液氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，噴射量為0.45 t/h，同時追蹤 1 600 個粒子軌跡[6]。對計算過程采用壓力與速度耦合的Simple算法及較低的松弛因子，采用二階迎風(fēng)離散格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)取連續(xù)性及能量方程的余項小于10–6，其余各項余項小于 10–3[7]。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)定

數(shù)值模擬過程采用控制變量法，針對影響SNCR脫硝效率的因素依次進(jìn)行模擬分析，探究不同因素對脫硝效率的影響。工況設(shè)定時每次僅改變初始工況中的1個實驗變量，保持其他參數(shù)不變。初始工況條件設(shè)定如表3所示。該工況條件下，數(shù)值模擬的脫硝效率為55.62%，與生產(chǎn)線實際運行的脫硝效率58.70%相比，誤差為5.28%，說明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，數(shù)值模擬方法可行。

表3 初始工況條件設(shè)定Tab.3 Initial working conditions setting

2.1 噴氨高度對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨高度，探究噴氨高度對NOx脫除效率的影響。噴氨高度分別設(shè)定為48，46，44，42 m，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同噴氨高度下斷面NO濃度分布Fig.2 Distribution of NO concentration at different ammonia injection heights

2.2 噴氨速度對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨速度，探究噴氨速度對NOx脫除效率的影響。噴氨速度分別設(shè)定為20，40，60，80 m/s，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同噴氨速度下斷面NO濃度分布Fig.3 Distribution of NO concentration at different ammonia injection rates

2.3 噴氨角度對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨角度，探究噴氨角度對NOx脫除效率的影響。噴氨角度分別設(shè)定為0，20，40，60°，數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同噴氨角度下斷面NO濃度分布Fig.4 Distribution of NO concentration at different ammonia injection angles

2.4 氨氮比對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變氨氮比，探究氨氮比對NOx脫除效率的影響。氨氮比分別設(shè)定為1.4，1.6，1.8，2.0，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同氨氮比條件下斷面NO濃度分布Fig.5 Distribution of NO concentration at different ammonia nitrogen ratios

2.5 霧化粒徑對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨霧化粒徑，探究噴氨霧化粒徑對NOx脫除效率的影響。噴氨霧化粒徑分別設(shè)定為40，60，80，100 μm，數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同霧化粒徑下斷面NO濃度分布Fig.6 Distribution of NO concentration at different atomizing particle sizes

2.6 噴氨深度對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨深度，探究噴氨深度對NOx脫除效率的影響。噴氨深度分別設(shè)定為0，250，500，750 mm，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同噴氨深度下斷面NO濃度分布Fig.7 Distribution of NO concentration at different ammonia injection depths

2.7 噴口數(shù)量對脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴口數(shù)量，探究噴口數(shù)量對NOx脫除效率的影響。噴口數(shù)量分別設(shè)定為1，2，4，6個，均在爐體圓周同一高度上均勻分布，數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同噴口數(shù)量下斷面NO濃度分布Fig.8 Distribution of NO concentration at different nozzle numbers

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 噴氨高度對脫硝效果的影響

當(dāng)噴氨高度為48 m時，還原劑停留時間僅為0.25 s，還原劑與污染物未充分反應(yīng)，脫硝效率僅為12.90%；當(dāng)噴氨高度為46 m時，還原劑停留時間為0.50 s，還原劑與污染物接觸較為充分，脫硝效率可達(dá)33.69%；當(dāng)噴氨高度為44 m時，還原劑停留時間為0.75 s，還原劑與污染物可充分反應(yīng)，脫硝效率可達(dá)40.50%；當(dāng)噴氨高度為42 m時，還原劑停留時間為1.00 s，還原劑與污染物可充分反應(yīng)，脫硝效率達(dá)43.37%。因此，噴氨高度越低即還原劑停留時間越長，脫硝效率越高，如圖9所示。

圖9 不同噴氨高度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.9 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection heights

3.2 噴氨速度對脫硝效果的影響

噴氨速度對脫硝效果的影響如圖10所示。

圖10 不同噴氨速度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.10 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection rates

當(dāng)噴氨速度為20 m/s時，噴槍入射的霧化液滴能量不足以穿透流場的剛性體，還原劑與污染物的接觸率較低，故脫硝反應(yīng)進(jìn)行得不充分，脫硝效率僅為27.24%；當(dāng)噴氨速度為40 m/s時，噴槍入射的霧化液滴能量較為充足，還原劑與污染物的接觸率大大提高，從而使得脫硝反應(yīng)進(jìn)行得較為充分，脫硝效率可達(dá)38.35%；當(dāng)噴氨速度提高到60 m/s時，噴槍入射的霧化液滴能量更為充足，還原劑與污染物的接觸得更好，使脫硝反應(yīng)進(jìn)行得更為充分，脫硝效率可達(dá)43.01%；當(dāng)噴氨速度為80 m/s時，噴槍入射的霧化液滴能量更為充足，使還原劑與污染物的接觸更為充分，從而使脫硝反應(yīng)進(jìn)行得更為完全，脫硝效率可達(dá)46.95%。因此，噴氨速度越大，脫硝效率越好。

3.3 噴氨角度對脫硝效果的影響

當(dāng)噴氨角度在較大范圍內(nèi)變化時，脫硝效率趨于穩(wěn)定，這是因為噴氨角度較小時還原劑能量集中，可以較好地覆蓋整個流場橫截面，使得脫硝效率較高；而噴氨角度較大時，還原劑能量較為分散，但可以增加還原劑覆蓋面積，同樣可以達(dá)到較好的脫硝效率。因此，脫硝效率較為穩(wěn)定，但在一定范圍內(nèi)，噴氨角度越小，脫硝效率越高，如圖11所示。

圖11 不同噴氨角度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.11 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection angles

3.4 氨氮比對脫硝效果的影響

隨著氨氮比的增大，還原劑用量更為充足，使得脫硝效率隨之增加；但氨氮比的增大會帶來生產(chǎn)成本的大幅增加、氨逃逸率升高甚至超標(biāo)的問題，如表4所示。因此在實際生產(chǎn)實踐中，既要考慮脫硝效率，又要關(guān)注生產(chǎn)成本以及氨逃逸率的問題[8]。氨氮比對出口NO濃度和脫硝效率的影響如圖12所示。

表4 不同氨氮比條件下出口氨逃逸率Tab.4 Outlet ammonia slip rate at different ammonia nitrogen ratios

3.5 霧化粒徑對脫硝效果的影響

霧化粒徑從 40 μm 增加到 100 μm過程中，脫硝效率先保持不變，然后逐漸提升，如圖13所示。當(dāng)還原劑粒徑低于100 μm時，脫硝效率會降低，這是因為還原劑霧化粒徑過小，會導(dǎo)致液滴剛性較差，穿透力不足，使得還原劑與污染物接觸不充分，從而使得脫硝效率較低。同時，霧化粒徑過小，對霧化設(shè)備的要求更高，明顯增加設(shè)備采購成本及運行使用成本[9]。

圖13 不同霧化粒徑下出口NO濃度及脫硝效率Fig.13 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different atomizing particle sizes

3.6 噴氨深度對脫硝效果的影響

噴槍深入爐內(nèi)的距離越大，越有利于脫硝效率的提高，如圖14所示。這是因為噴槍深入爐內(nèi)距離越大，越有利于還原劑克服自身剛性的不足，提升液滴穿透力，使其能更好地與污染物接觸，同時提高還原劑在橫截面上的覆蓋率，從而提升脫硝效率。但噴槍深度過大，會導(dǎo)致噴槍受爐內(nèi)高溫高速流體的沖刷而腐蝕加劇，設(shè)備使用壽命降低，損耗率增大，運營成本增加[10]。

圖14 不同噴氨深度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.14 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection depths

3.7 噴口數(shù)量對脫硝效果的影響

噴口數(shù)量對脫硝效果的影響如圖15所示。當(dāng)噴口數(shù)量為1時，還原劑不足以有效覆蓋整個爐體橫截面，從而使脫硝效率較低，僅為3.58%；當(dāng)噴口數(shù)量為2時，即沿圓周呈180°對稱分布，脫硝效率增加至18.64%；當(dāng)噴口數(shù)量為4時，即沿圓周呈90°均勻分布，還原劑可有效覆蓋整個爐體橫截面，使脫硝效率大大提高，達(dá)到38.35%；當(dāng)噴口數(shù)量為6時，即沿圓周呈60°均勻分布，過于密集的噴口分布反而會制約脫硝效率的提升[11]，脫硝效率相比4個噴口時反而下降至32.97%。這說明噴口數(shù)量過多時，還原劑入射的能量過于分散，使得還原劑穿透力不足，與污染物接觸不夠充分，從而使脫硝效率降低。因此，合理選取噴口數(shù)量極為重要。

圖15 不同噴口數(shù)量下出口NO濃度及脫硝效率Fig.15 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different nozzle numbers

3.8 優(yōu)化工況

根據(jù)以上工況的分析結(jié)果，設(shè)定各影響因素中對脫硝最有利條件，可得到優(yōu)化后的分解爐SNCR脫硝的效率。

表5 優(yōu)化工況條件設(shè)定Tab.5 Optimal working conditions setting

模擬結(jié)果表明，脫硝后出口NO濃度值降低至 71 mg/m3，與初始條件下 NO濃度值 309 mg/m3相比，NO脫除效率達(dá)76.89%。與初始SNCR工況下55.62%的脫硝效率相比，優(yōu)化工況的脫硝效率有了較為明顯的提高，如圖16所示。

圖16 初始和最佳工況條件下NO濃度分布Fig.16 NO concentration distribution at initial and optimal working conditions

4 結(jié) 論

針對影響水泥分解爐SNCR脫硝效率的因素進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論：

a.噴氨高度在溫度場變化較小時對脫硝效率的影響，實質(zhì)上等效為還原劑停留時間對脫硝效率的影響，且停留時間越長，脫硝效率越高，停留時間為1.00 s時，脫硝效率最高為43.37%。噴氨速度越大，脫硝效率越高，噴氨速度為80 m/s時，脫硝效率最大為46.95%。氨氮比越大，脫硝效率越高，在氨逃逸率不超標(biāo)的前提下，當(dāng)氨氮比為1.8時，脫硝效率最大為41.94%，在實際生產(chǎn)中尤其要注意過大的氨氮比會導(dǎo)致氨逃逸率超標(biāo)的問題。霧化粒徑越大，脫硝效率越高，當(dāng)霧化粒徑為100 μm時，脫硝效率最大為37.28%。噴氨深度越大，脫硝效率越高，當(dāng)噴氨深度為750 mm時，脫硝效率最大為71.33%，噴氨深度是上述對比工況中對脫硝效率影響最大的因素，也是提高脫硝效果最明顯的因素。因此在實際生產(chǎn)中，可適當(dāng)增加噴槍插入爐體的深度，但要注意噴槍深度過大會使得高溫高速流體對噴槍的腐蝕和沖刷加劇，從而導(dǎo)致設(shè)備使用壽命降低等問題。

b.噴氨角度對脫硝效率的影響較小，當(dāng)選取噴氨角度為0°時，脫硝效率最大為39.43%。

c.噴口數(shù)量從1增加至4時，脫硝效率逐漸提高，當(dāng)噴口數(shù)量從4增加到6時，脫硝效率反而降低，這表明過于稀疏或過于密集的噴口布置方式對脫硝效率均有不利影響，因此在實際生產(chǎn)中建議使用4噴口布置方式，脫硝效率最大為38.35%。

d.根據(jù)以上各因素分析結(jié)果，得到優(yōu)化工況，最大脫硝效率為76.89%。實際生產(chǎn)中可參考最佳工況設(shè)定對SNCR脫硝部分進(jìn)行改進(jìn)和提高，這對于提升還原劑使用效率、降低還原劑單位使用量、降低氨逃逸率、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)環(huán)保性等方面，均有積極作用。