鏈條鍋爐煙氣的選擇性非催化還原脫硝工藝改造

丁敏

摘 要：鍋爐煙氣中包含了大量的NOx物質(zhì)，是大氣污染的重要成因。在節(jié)能減排的大背景下，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)鍋爐改造升級(jí)，確保其滿(mǎn)足超低排放標(biāo)準(zhǔn)意義重大。文章以雙錢(qián)集團(tuán)鏈條鍋爐煙氣脫硝項(xiàng)目為例，在闡述鏈條鍋爐使用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用CFD技術(shù)的噴槍選擇和脫硝模擬過(guò)程進(jìn)行分析，并指出脫硝工藝的改造策略和效果。通過(guò)選擇性非催化還原脫硝工藝的應(yīng)用，在保證鏈條鍋爐煙氣高效處理的同時(shí)，推動(dòng)節(jié)能減排工作進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：鏈條鍋爐；選擇性非催化還原脫硝工藝；CFD技術(shù)；煙氣排放

中圖分類(lèi)號(hào)：TK229.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）21-0103-03

Abstract： Boiler flue gas contains a large number of NOx substances， which is an important cause of air pollution. In the context of energy saving and emission reduction， it is of great significance to realize the transformation and upgrading of industrial production boilers to ensure that they meet the ultra-low emission standards. Taking the flue gas denitrification project of the chain boiler of Shuangqian Group as an example， on the basis of expounding the present situation of the use of the chain boiler， this paper analyzes the spray gun selection and denitrification simulation process using CFD technology， and points out the transformation strategy and effect of the denitrification process. Through the application of selective non-catalytic reduction denitrification process， it can ensure the efficient treatment of chain boiler flue gas and promote the further development of energy saving and emission reduction.

Keywords： chain boiler； selective non-catalytic reduction denitrification process； CFD technology； flue gas emission

引言

隨著工業(yè)化建設(shè)的深入，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。作為大氣污染的主要污染物，氮氧化物不僅會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)污染和酸雨危害，更容易對(duì)人的呼吸道造成感染，危害身體健康?？沙掷m(xù)發(fā)展理念下，人們開(kāi)始重視氮氧化物的凈化處理。現(xiàn)階段，選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)和選擇性催化還原（SCR）技術(shù)是煙氣脫硝的主要工藝。就選擇性非催化還原技術(shù)而言，在氨基還原劑霧化滴噴作用下，將NOx還原成N2和H2O，實(shí)現(xiàn)了NOx排放濃度的有效控制。與SCR技術(shù)相比，SNCR技術(shù)不需使用催化劑，且對(duì)于反應(yīng)設(shè)備的要求較低，具有較高的效率和質(zhì)量。本文結(jié)合雙錢(qián)集團(tuán)的鏈條鍋爐煙氣脫硝項(xiàng)目實(shí)例，就CFD技術(shù)下的鏈條鍋爐煙氣選擇性非催化還原脫硝工藝改造要點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目改造內(nèi)容為1臺(tái)鍋爐的“SNCR+SCR”整套煙氣脫硝裝置和2臺(tái)鍋爐還原劑共用系統(tǒng)，鍋爐技術(shù)參數(shù)如表1所示。項(xiàng)目建設(shè)中，《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13271-2014是鍋爐煙氣脫硝改造的基本依據(jù)，在其指導(dǎo)下擬采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)，對(duì)1臺(tái)35t/h鏈條爐進(jìn)行脫硝改造，改造結(jié)果需確保NOx排放降低到50mg/Nm3以下，同時(shí)改造后設(shè)備需不影響鍋爐原有的安全性、熱效率性。實(shí)踐中，鍋爐煙氣脫硝分批次改造實(shí)施，有效提升了選擇性非催化還原脫硝工藝應(yīng)用水平，確保了煙氣鍋爐凈化處理質(zhì)量。

表1 鏈條鍋爐技術(shù)參數(shù)

2 改造前鍋爐工況

鍋爐工況是煙氣凈化處理的基礎(chǔ)，同時(shí)也是選擇性非催化還原脫硝應(yīng)用的前提。雙錢(qián)集團(tuán)的35t鍋爐出口尚無(wú)任何脫硝裝置，鍋爐運(yùn)行溫度、出口溫度均為450℃，當(dāng)鍋爐系統(tǒng)排出廢棄從煙氣出口進(jìn)入到省煤器后，煙氣溫度會(huì)被進(jìn)一步降低，并在引風(fēng)機(jī)的作用下將煙氣輸送到尾部除塵器及脫硫塔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煙氣的脫硫排出。現(xiàn)有裝置應(yīng)用中，鍋爐煙氣主要污染物如表2所示。

3 CFD應(yīng)用與脫硝工藝

鏈條鍋爐煙氣脫硝改造過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員在原有裝置的基礎(chǔ)上新增SNCR+SCR脫硝工藝，該環(huán)節(jié)中，爐膛內(nèi)噴氨分配是改造工藝應(yīng)用的難點(diǎn)所在。具體而言，煙氣在爐膛內(nèi)高速向上游動(dòng)，而側(cè)墻噴槍不容易噴射到爐膛內(nèi)部；對(duì)此，設(shè)計(jì)人員在高速雙流體噴槍的基礎(chǔ)上，通過(guò)CFD流體模擬技術(shù)，對(duì)噴槍噴射點(diǎn)選擇和速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的控制進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了脫硝工藝應(yīng)用質(zhì)量的提升。

3.1 SNCR噴槍選擇

原35T/H鏈條鍋爐并無(wú)脫硝裝置，該生產(chǎn)模式下鍋爐系統(tǒng)的溫度窗口較窄、爐膛出口溫度較低，并且爐膛內(nèi)部存在煙氣混流、擾流不均的狀況。對(duì)此，改造工作人員在SNCR噴槍選擇中進(jìn)行了以下兩個(gè)方面的控制：第一，采用特殊的墻式高速雙流體SNCR噴槍?zhuān)坏诙?，借助CFD流體軟件輔助設(shè)計(jì)，并合理的選擇噴射點(diǎn)，提升SNCR噴槍?xiě)?yīng)用質(zhì)量和設(shè)備脫硫效率。

就墻式高速雙流體SNCR噴槍而言，使用過(guò)程中應(yīng)注重噴槍噴口初速的嚴(yán)格控制。本項(xiàng)目煙氣順爐膛向上流動(dòng)，橫向擾動(dòng)較少，并且爐膛截面積一般為4m×8m，煙氣在爐膛內(nèi)流速為9m/s。該環(huán)境下，若SNCR噴槍噴口的初速度為30m/s，則噴槍在爐膛內(nèi)的實(shí)際有效范圍很有限，不僅制約還原劑和煙氣的混合效果，更會(huì)對(duì)脫硝的效率造成阻礙。有鑒于此，本項(xiàng)目借助CFD軟件進(jìn)行噴槍效果模擬，選用單孔高速柱狀雙流體噴槍?zhuān)⒃O(shè)置SNCR噴槍噴口的初速度為80m/s，提升了鍋爐煙氣的脫硝效率（見(jiàn)圖1）。

3.2 脫硝模擬

通過(guò)CFD軟件進(jìn)行的鍋爐煙氣脫硝模擬中，溫度分布、流動(dòng)軌跡模擬、濃度分布是其控制的三個(gè)主要方面。

3.2.1 溫度分布

鍋爐脫硝時(shí)，為提升NOx去除效率，設(shè)備改造人員在控制鍋爐爐內(nèi)煙氣流動(dòng)的同時(shí)，應(yīng)對(duì)煙氣的溫度進(jìn)行控制，從而確保煙氣和還原劑的高效混合[1]。利用CFD軟件進(jìn)行煙氣溫度分布模擬，在不考慮燃燒層中存在固相和回料中顆粒的狀況下，煙氣在鍋爐內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)如下：

鍋爐使用過(guò)程中，煤從爐前加入并進(jìn)入爐膛時(shí)需吸收高溫?zé)煔獾臒崃考訜岵⑽龀鰮]發(fā)成分，該階段不需要通入大量的空氣。而從第二個(gè)進(jìn)風(fēng)口開(kāi)始，焦炭及揮發(fā)成分開(kāi)始燃燒，此時(shí)為保證煤燃燒的充分，設(shè)備第3、4、5進(jìn)風(fēng)引入了大量的空氣，使得爐內(nèi)溫度總體較高。

當(dāng)一次風(fēng)從鍋爐底部進(jìn)入后，鍋爐內(nèi)流化床會(huì)對(duì)一次風(fēng)進(jìn)行余熱。就利用CFD軟件模擬的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)煙氣流量為84676m3/h時(shí)，初始溫度為160℃，而當(dāng)煤炭燃燒后，煙氣的溫度將提高到973℃，此外，爐膛平均出口溫度850℃。本次鍋爐改造，噴入氨水溶液是煙氣除硝的主要方式，噴入溶液前爐內(nèi)煙氣溫度保持在850℃～950℃之間。噴入氨水溶液后，鍋爐內(nèi)不同截面處的溫度如圖2所示。由圖可知，在2、3、4風(fēng)口處，焦煤和會(huì)發(fā)出處于持續(xù)燃燒狀態(tài)，這使得其溫度明顯高于第1、6、7風(fēng)口。

3.2.2 流動(dòng)軌跡模擬

利用單孔高速柱狀雙流體噴槍噴入還原劑時(shí)，確保還原劑具有良好的流暢度，能夠?qū)崿F(xiàn)煙氣與還原劑的高效結(jié)合，從而提升煙氣脫硝效率和質(zhì)量[2]。工作人員借助CFD軟件對(duì)還原劑的流動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬（見(jiàn)圖3）。本次模擬中噴槍設(shè)置數(shù)目為5支，在計(jì)算還原劑噴射流量后可知，在快流速煙道中，為確保爐內(nèi)噴灑的還原劑具有良好的穿透能力，需確保噴槍具有高的流速。

3.2.3 濃度分布

還原劑的濃度對(duì)煙氣脫硝有較大影響，鍋爐選擇性非催化還原脫硝工藝應(yīng)用中，要提升鍋爐系統(tǒng)整體的脫硫工藝效率，還應(yīng)確保還原劑濃度與煙氣排量、溫度等要素的耦合。本次脫硝模擬中，鍋爐內(nèi)的濃度分布如圖4所示。

在CFD軟件模擬圖中，空白部分表示不在定義的偏離范圍內(nèi)的區(qū)域；而右側(cè)為低濃度，左側(cè)代表高濃度，低濃度部分將引起煙氣的不完全反應(yīng)，高濃度部分會(huì)導(dǎo)致氨逃逸[3]。鍋爐非催化脫硝還原時(shí)，為避免煙氣不完全反應(yīng)和逃逸現(xiàn)象發(fā)生，在還原劑噴入過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制其噴入濃度，同時(shí)確保噴槍位置的合理選擇，確保鍋爐系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)獲得更高的脫硝反應(yīng)效率。

3.3 脫硝改造工藝

脫硝改造的還原劑采用NH3進(jìn)行代替。改造工藝應(yīng)用中，氨水存儲(chǔ)及輸送、爐前噴射和控制是其工藝應(yīng)用的三個(gè)基本環(huán)節(jié)[4]。

就氨水存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)而言，在鍋爐脫硝前使用氨水加注泵，將氨水轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)罐待用。本次脫硝工藝改造，不銹鋼是氨水儲(chǔ)罐制造的主要材料，氨水儲(chǔ)罐的容積需滿(mǎn)足鍋爐7d內(nèi)的脫硝用氨需求，氨水濃度為20%。輸送時(shí)，變頻計(jì)量泵是氨水輸輸送的基本支撐，一方面變頻計(jì)量泵具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，能夠提升設(shè)備整體脫硝效率；另一方面計(jì)量泵出口的氨水經(jīng)過(guò)噴射系統(tǒng)噴入爐膛合適的位置進(jìn)行脫硝反應(yīng)，使得氨逃逸總量較小，確保了脫硝系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性。

爐前噴射是煙氣脫硝工藝的重要環(huán)節(jié)。單孔高速柱狀雙流體噴槍是爐內(nèi)安全噴灑的主要工具，并且單過(guò)來(lái)設(shè)置噴槍個(gè)數(shù)為5支，氨水噴射速度為80m/s。該噴射模式下還原劑與煙氣的混合效率得以有效提升，實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硝質(zhì)量的保證。

本項(xiàng)目SNCR脫硝改造采用獨(dú)立的控制系統(tǒng)。從控制過(guò)程來(lái)看，控制裝置具有以下應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：其一，獨(dú)立的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)原劑流量的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了控制操作流程的簡(jiǎn)化。其二，在主控箱啟停控制下，SNCR脫硝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)得以有效監(jiān)控，確保了設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢修、調(diào)試及應(yīng)急處理的高效運(yùn)行。

4 改造效果分析

設(shè)備改造人員首先對(duì)鍋爐煙氣排放的狀況進(jìn)行分析，然后在CFD技術(shù)的支撐下，對(duì)選擇性非催化還原脫硝工藝改造過(guò)程進(jìn)行全因素模擬，并在SNCR噴槍選擇、溫度分布、流暢模擬、濃度分布優(yōu)化后，進(jìn)行具體改造設(shè)備的模擬。從改造結(jié)果來(lái)看，在選擇性非催化還原脫硝裝置布置后，鍋爐還原劑偏離平均值的范圍保持在20%到80%。該狀態(tài)下，同截面還原劑和煙氣有著極好的混合，如果停留時(shí)間按照從還原劑完成蒸發(fā)直到鍋爐出口處計(jì)算，大約為500ms，該時(shí)間段內(nèi)鍋爐煙氣中的NOx可從250/m3降低到100mg/m3；即表明SNCR段脫硝效率能達(dá)到65%以上。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)脫硝效率為62.5%，故而裝置實(shí)際脫硝效果優(yōu)于設(shè)計(jì)值，能充分滿(mǎn)足企業(yè)的需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

選擇性非催化還原脫硝工藝改造對(duì)鏈條鍋爐煙氣處理和企業(yè)綠色生產(chǎn)具有重大影響。脫硝工藝改造中，工作人員對(duì)鍋爐的SNCR工藝進(jìn)行系統(tǒng)的分析，然后采用高流速?lài)姌專(zhuān)_保了高速煙氣流速狀態(tài)下還原劑的穿透能力，保證了還原劑與煙氣的高效結(jié)合。采用CFD輔助技術(shù)選擇正確的噴射點(diǎn)，并對(duì)脫硝過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)上述措施，本項(xiàng)目實(shí)際改造質(zhì)量超過(guò)了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，脫硝效率達(dá)到65%，滿(mǎn)足了企業(yè)脫硝控制要求和綠色生產(chǎn)的需要。

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