垃圾焚燒爐SNCR脫硝反應(yīng)條件的模擬研究

李海波，柴 彬

(天津渤海環(huán)保工程有限公司 天津300300)

在煙氣處理工程實(shí)踐中，因選擇性非催化還原(簡(jiǎn)稱 SNCR)脫硝技術(shù)具備投資少、建設(shè)周期短等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于生活垃圾焚燒領(lǐng)域。SNCR脫硝技術(shù)的脫硝效率在實(shí)驗(yàn)研究與工程應(yīng)用方面差異較大，實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中，還原劑與氮氧化物可以充分反應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)的脫硝效率為60%～70%，甚至70%以上，但是在工程實(shí)際運(yùn)行中，SNCR的脫硝效率[1]只能達(dá)到40%～60%。SNCR脫硝反應(yīng)主要包括還原劑蒸發(fā)過(guò)程與化學(xué)反應(yīng)過(guò)程[2]，Jenkins等[3]通過(guò)研究 SNCR脫硝技術(shù)中還原劑的噴射軌跡已能夠模擬 SNCR脫硝還原劑蒸發(fā)過(guò)程；固體生活垃圾在燃燒過(guò)程中，焚燒爐內(nèi)會(huì)進(jìn)行劇烈而復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)流動(dòng)過(guò)程，這使得還原劑的反應(yīng)過(guò)程具有很強(qiáng)的不確定性。因此，優(yōu)化脫硝反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)條件是提高 SNCR脫硝效率的重要方向。

本文運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件 ANSYS Fluent(14.0)對(duì) 500t/d垃圾焚燒爐 SNCR脫硝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，建立焚燒爐內(nèi)脫硝過(guò)程中運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型，從理論模型角度分析脫硝實(shí)驗(yàn)過(guò)程的網(wǎng)格劃分和邊界條件，對(duì)焚燒爐內(nèi) SNCR脫硝反應(yīng)條件進(jìn)行模擬分析，考察反應(yīng)溫度、氨氮摩爾比、NO 初始濃度、氧氣濃度以及停留時(shí)間等反應(yīng)條件對(duì) SNCR技術(shù)的脫硝效率和氨逃逸的影響情況。

1 模擬條件

1.1 網(wǎng)格劃分和邊界條件

SNCR技術(shù)應(yīng)用所需的溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)及流場(chǎng)主要分布在垃圾焚燒爐上爐膛[2]。本文通過(guò)模擬計(jì)算脫硝反應(yīng)過(guò)程的各個(gè)因素，考察這些因素對(duì) SNCR技術(shù)的脫硝效率和氨逃逸的影響情況。垃圾焚燒爐的物理模型如圖 1所示，在不影響計(jì)算速度的情況下，適當(dāng)提高網(wǎng)格質(zhì)量和密度，采用結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格布置，對(duì)爐排移動(dòng)方向、二次風(fēng)入口和流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向等區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格優(yōu)化和加密，以確保對(duì)物性參數(shù)變化較大區(qū)域的模擬精度。為減少計(jì)算工作量，更準(zhǔn)確地將 SNCR反應(yīng)過(guò)程各參數(shù)變化情況模擬出來(lái)，本文在三維物理模型上截取二次風(fēng)入口以上部分作為 SNCR模擬的研究區(qū)域。圖 1焚燒爐中心縱截面的網(wǎng)格示意圖方框所截取部分為 SNCR模擬區(qū)域，在計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算區(qū)域的起始點(diǎn)取爐膛高度 8m處，截止于爐膛高度為 17m 的煙氣排放口，這樣截取可以大為減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間。

圖1 垃圾焚燒爐三維物理模型與網(wǎng)格劃分Fig.1 3D physical model and mesh division of waste incinerator

在 SNCR模擬計(jì)算過(guò)程中，采用天津市某垃圾焚燒廠日處理能力為 500t/d機(jī)械爐排生活垃圾焚燒爐8m水平截面處的氣體溫度、速度矢量和氣相組分分布情況作為邊界條件，入口仍然使用速度邊界條件，煙氣出口使用壓力邊界條件，其中氣相組分只考慮焚燒煙氣中的 O2、CO2、N2、NO 和 H2O，不考慮其他影響較小的組分。焚燒爐入口邊界處煙氣中各氣體濃度如表1所示。

表1 邊界入口處煙氣中各氣體濃度Tab.1 Concentration of each gas in flue gas at boundary inlet

其余計(jì)算條件參數(shù)分別為：氨氮摩爾比 1.5、噴槍標(biāo)高為 13m、還原劑噴射速度為 45m/s、霧化粒徑150μm、霧化角度40°。按照前墻布置4個(gè)噴槍，后墻布置4個(gè)噴槍，左墻布置2個(gè)噴槍，右墻布置2個(gè)噴槍的排布下噴射。

1.2 焚燒爐內(nèi)SNCR脫硝過(guò)程數(shù)學(xué)模型

SNCR脫硝模擬過(guò)程中使用的湍流模型、輻射換熱模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型和P-1輻射模型，其中湍流模型應(yīng)使用漩渦耗散化學(xué)反應(yīng)模型，還原劑在氣相的噴射流動(dòng)分別采用離散相模型和組分運(yùn)輸模型，壓力-速度耦合方程使用SIMPLE算法解出，氣相中各組分和還原劑的離散為二階迎風(fēng)模式。其中脫硝效率按照入口與出口處氮氧化物濃度的差值和入口處氮氧化物的濃度百分比，氨逃逸標(biāo)準(zhǔn)一般按照垃圾焚燒廠實(shí)際運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)超過(guò)4.5mg/mL。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度的影響

SNCR脫硝反應(yīng)中，溫度窗口的大致范圍是850～1000℃[4]，通過(guò)模擬計(jì)算焚燒爐內(nèi)溫度對(duì)脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況，選取最合適的反應(yīng)溫度，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)脫硝率和氨逃逸的影響Fig.2 Effect of temperature on denitration rate and ammonia escape

在圖 2中，橫坐標(biāo)表示溫度值，左縱坐標(biāo)表示脫硝效率，右縱坐標(biāo)表示氨氣逃逸量。從圖中可以看出，溫度與脫硝效率以及氨氣逃逸量之間存在一定的相關(guān)性。在溫度低于 920℃范圍內(nèi)，脫硝效率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)溫度超過(guò) 920℃，脫硝效率與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。而氨氣逃逸量隨著溫度上升在不斷地下降，直至溫度上升到接近 1000℃，氨氣逃逸量接近1mg/mL以下。這是由于在氧氣充足的條件下，爐膛中噴入的還原劑 NH3既能和 NO發(fā)生反應(yīng)，也可能被氧氣氧化。隨著爐膛內(nèi)溫度的升高，過(guò)高的能量使得氧化反應(yīng)的反應(yīng)活化因子增加，NH3還原 NO的反應(yīng)速率增加，同時(shí)還原劑被氧氣氧化的速率也迅速升高，當(dāng)溫度升高到一定值還原劑被氧化速率超過(guò)了還原劑還原 NO的速率，NO的濃度開(kāi)始上升，并隨著溫度的升高而不斷地升高，因此在溫度低于920℃范圍內(nèi)，以還原反應(yīng)為主導(dǎo)；在溫度超過(guò)920℃，還原反應(yīng)飽和，氨與氧氣的反應(yīng)程度逐漸提高。這與 Hatamipour等[5]分析計(jì)算的焚燒爐內(nèi)煙氣溫度與脫硝效率的結(jié)論一致。其中氨氣逃逸量數(shù)值模擬結(jié)果在趨勢(shì)上與中試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合，其絕對(duì)值與實(shí)際試驗(yàn)鍋爐實(shí)測(cè)值比較接近，可見(jiàn)利用流體力學(xué)軟件模擬對(duì)于實(shí)際設(shè)備的 SNCR氨逃逸預(yù)測(cè)是較為準(zhǔn)確的。

2.2 氨氮摩爾比的影響

氨氮摩爾比(氨氮比，NSR)指脫硝過(guò)程中氨氮當(dāng)量的比值，是影響脫硝效率的主要因素之一。不少學(xué)者的研究顯示，氨氮比過(guò)小或過(guò)大都會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生影響[6]。因此，模擬計(jì)算還原反應(yīng)中不同氨氮比對(duì)脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況，具有很大的實(shí)際意義。圖3是不同氨氮比與脫硝效率的關(guān)系曲線。

圖3 NSR對(duì)脫硝率和氨逃逸的影響Fig.3 Effect of NSR on denitration rate and ammonia escape

從圖3可以看出，氨氮比與脫硝效率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著氨氮比的比值增加，脫硝效率在不斷提高。但氨氮比在 0.8～1.6的范圍內(nèi)，曲線的變化幅度較大；在 1.6～2.0范圍內(nèi)，曲線的變化幅度趨于平緩。在特定溫度下，氨氮摩爾比提高會(huì)導(dǎo)致還原劑用量增加，未反應(yīng)的還原劑隨之增多，導(dǎo)致氨逃逸量的增加。因此，需要控制氨氮摩爾比在合理的范圍內(nèi)。隨著氨氮比的不斷上升，氨氣逃逸量在逐漸增加，而且增加的幅度在不斷上升。由此可見(jiàn)，雖然氨氮比的增加能夠提高脫硝效率，但是也增加了氨氣逃逸量的濃度，增加運(yùn)行費(fèi)用，而且隨著氨氮比值的上升，脫硝效率的增加幅度要小于氨氣逃逸量的增加幅度。Ruiz-Lopez等[7]以一臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的垃圾焚燒爐為物理模型，計(jì)算了氨氮摩爾比對(duì)脫硝效率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脫硝率隨著氨氮摩爾比的增加而增加，氨氮摩爾比在超過(guò) 1.8以后，氨逃逸明顯增加，根據(jù)不同的焚燒爐尺寸，氨氮比在1.4～1.7之間是較為合理的脫硝反應(yīng)配比。綜合以上因素，本文認(rèn)為并非氨氮比越大越好，SNCR脫硝的較為合適氨氮比為1.6。

2.3 NO初始濃度的影響

關(guān)于 NO初始濃度對(duì) SNCR脫硝效果的影響程度，學(xué)者們的研究不盡相同。本文的模擬計(jì)算中，設(shè)定 NO初始濃度的范圍從 100～400mg/mL中選取4組數(shù)據(jù)來(lái)研究 NO初始濃度對(duì)脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況。模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 氮氧化物對(duì)脫硝率和氨逃逸的影響Fig.4 Effect of nitrogen oxides on denitration rate and ammonia escape

NO初始濃度從 100mg/mL升高到 300mg/mL時(shí)，NO初始濃度與脫硝效率之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，脫硝效率隨著NO初始濃度的上升而提高，出口NO濃度也隨著NO初始濃度的上升而提高，但其上升幅度要小于脫硝效率隨著 NO初始濃度上升的幅度。NO初始濃度從300mg/mL升高到400mg/mL時(shí)，脫硝效率隨著NO初始濃度的上升而下降，出口NO濃度也隨著 NO初始濃度的上升而下降，但變化不大。Muzio等[8]的研究表明，保持其他變量不變，NO初始濃度小于400mg/mL時(shí)，NO初始濃度與脫硝效果之間無(wú)相關(guān)性；但是 Robin等[9]的研究卻發(fā)現(xiàn)隨著 NO初始濃度下降到 175mg/mL時(shí)，脫硝效率也隨之下降。這是因?yàn)樵诒３职钡炔蛔兦闆r下，脫硝反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡的最低排放 NO濃度并不會(huì)隨著 NO初始濃度的變化而變化。

2.4 氧氣濃度的影響

從 SNCR脫硝反應(yīng)的化學(xué)機(jī)理可知，O2濃度是脫硝反應(yīng)中的重要元素。不同學(xué)者對(duì) O2濃度在脫硝反應(yīng)中的影響程度進(jìn)行了研究。Lyon[10]的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在缺氧的條件下，SNCR脫硝反應(yīng)不會(huì)發(fā)生，但氧氣濃度過(guò)高會(huì)降低脫硝效率。

本文的模擬計(jì)算中，設(shè)定O2濃度的范圍從2%～10%來(lái)研究 O2濃度對(duì)脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況，模擬結(jié)果見(jiàn)圖 5?？梢钥闯?，O2濃度與脫硝效果以及氨氣逃逸量之間存在負(fù)相關(guān)性，隨著 O2濃度的不斷上升，脫硝效果在逐漸下降，氨氣逃逸量在逐漸降低。O2濃度在2%～6%范圍內(nèi)，脫硝效果和氨氣逃逸量變化都不大。因?yàn)?SNCR脫硝反應(yīng)是由還原與氧化2種反應(yīng)協(xié)同作用的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，氧氣濃度的增加，并不是單純促進(jìn)單一反應(yīng)進(jìn)行，而是促進(jìn)氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，而且在反應(yīng)的同時(shí)，溫度窗口隨著上述反應(yīng)的進(jìn)行開(kāi)始有所下降，進(jìn)而氧濃度的增加促使氧化反應(yīng)的強(qiáng)度大于還原反應(yīng)，從而導(dǎo)致脫硝效率下降。但從圖 5分析可知，煙氣中氧氣濃度對(duì)NO的還原影響很小，說(shuō)明還原劑的脫硝系統(tǒng)對(duì) NO 的還原具有很強(qiáng)的選擇性。Kasuya等[11]的研究進(jìn)一步證明了 Lyon的研究，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)氧濃度的上升會(huì)促使反應(yīng)溫度下降，進(jìn)而降低脫硝效率，但該影響效果較小。因此，可認(rèn)為實(shí)際過(guò)程中煙氣中氧氣濃度對(duì)SNCR脫硝效率影響不大。

圖5 氧氣濃度對(duì)脫硝率和氨逃逸的影響Fig.5 Effect of oxygen concentration on denitration rate and ammonia escape

2.5 停留時(shí)間的影響

停留時(shí)間是 SNCR脫硝反應(yīng)充分進(jìn)行的關(guān)鍵因素。圖6是停留時(shí)間從0.1～1s時(shí)對(duì)脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況。

圖6 停留時(shí)間對(duì)脫硝率和氨逃逸的影響Fig.6 Effect of retention time on denitration rate and ammonia escape

從圖6可以看出停留時(shí)間與SNCR脫硝效果之間的非線性關(guān)系：隨著停留時(shí)間的增加，脫硝效果隨之增加；但當(dāng)停留時(shí)間達(dá)到0.4s左右，脫硝效果的增速開(kāi)始變得平緩且不明顯。這是因?yàn)?SNCR脫硝反應(yīng)中的氧化反應(yīng)和自身還原反應(yīng)趨于飽和，使其效果變得不明顯。在實(shí)際工程中，噴槍噴入的還原劑需要充足的反應(yīng)時(shí)間以及還原劑的升溫過(guò)程蒸發(fā)與分解過(guò)程，都需要足夠的時(shí)間[4-7]。因此，還原劑在垃圾焚燒爐膛內(nèi)停留足夠的時(shí)間才能保證理想的脫硝效率。

3 結(jié) 論

通過(guò)本文的數(shù)值模擬與優(yōu)化結(jié)果可知，最合適的脫硝反應(yīng)條件為爐膛反應(yīng)溫度 940℃、氨氮摩爾比1.6；其中氧氣濃度對(duì)脫硝效率影響較小，而氮氧化物濃度和還原劑停留時(shí)間對(duì)脫硝效率影響較大。因此該模擬計(jì)算結(jié)果對(duì) SNCR脫硝技術(shù)的工程應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。