垃圾焚燒爐SNCR脫硝特性影響因素分析及優(yōu)化

倪進(jìn)飛，李世珍，羅小平，楊 婉

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663；2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

生活垃圾處理主要采用填埋、堆肥、焚燒三種方式，目前最主流的還是焚燒法，焚燒法是一種更主動(dòng)的垃圾處理方式，有技術(shù)先進(jìn)、對(duì)環(huán)境友好、資源再利用等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是生活垃圾焚燒后會(huì)產(chǎn)生大量主要以NO形式存在的氮氧化物，占比約為95%，當(dāng)煙氣凈化后排向大氣時(shí)會(huì)生成NO2。脫硝技術(shù)一般使用SNCR法，SNCR脫硝特性與多種因素相關(guān)，包括：脫硝區(qū)域溫度、NO初始濃度、氨氮摩爾比、添加劑等，因此對(duì)SNCR脫硝影響因素進(jìn)行分析研究。Nguyen等[2]采用CFD軟件建立三維垃圾焚燒爐模型，模擬尿素溶液的SNCR脫硝過(guò)程，分析爐內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)分布情況，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。同時(shí)分析液滴粒徑分布對(duì)于NOx還原效率的影響，結(jié)果非均勻粒徑尺寸的尿素液滴加強(qiáng)了混合程度并提高了還原效率。李艷麗[3]利用CFD軟件對(duì)焚燒爐脫硝過(guò)程進(jìn)行模擬，建立還原劑噴射模型，研究液滴粒徑、噴射速度等參數(shù)對(duì)于液滴蒸發(fā)時(shí)間、噴射距離以及液滴與煙氣混合程度的影響。并對(duì)二次風(fēng)對(duì)焚燒爐的影響進(jìn)行了一系列考察。Xia等[4]對(duì)某爐排垃圾焚燒爐的燃燒與SNCR脫硝進(jìn)行CFD模擬，模擬結(jié)果顯示爐內(nèi)煙氣速度、溫度以及NOx濃度分布高度不均勻?qū)е旅撓趵щy。然后采用尿素溶液進(jìn)行脫硝模擬，分析氨氮摩爾比(NSR)、噴射位置等因素對(duì)于爐膛出口NOx濃度及氨逃逸量的影響，提出了合理的NSR值并認(rèn)為多層噴射是較為合理的方式。Hu等[5]利用CFD軟件研究垃圾焚燒爐的燃燒與脫硝過(guò)程，分析分別采用尿素溶液與氨水兩種不同還原劑進(jìn)行脫硝后爐內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和出口NOx濃度分布情況以及脫硝效果，發(fā)現(xiàn)氨水脫硝效率更高。蔡潔聰?shù)萚6]基于Fluent軟件研究尿素溶液對(duì)垃圾焚燒爐的脫硝效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度處于960～1 000 ℃時(shí)NOx去除率較高，氨逃逸量隨溫度升高而降低。模擬氨逃逸量計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，分析認(rèn)為主要是飛灰吸附造成氨逃逸量減小。綜合考慮脫硝效率與運(yùn)行成本，認(rèn)為氨氮摩爾比取1.6較為合理。

由上述研究可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于SNCR脫硝過(guò)程的影響因素進(jìn)行了充分研究，但對(duì)于大型垃圾焚燒爐爐內(nèi)脫硝過(guò)程中相關(guān)因素的影響特性少有研究。各類因素對(duì)于爐內(nèi)NOx與NH3分布狀態(tài)、系統(tǒng)脫硝效率、出口氨逃逸量的影響規(guī)律尚不清楚，本文將對(duì)此展開(kāi)研究，為實(shí)際脫硝方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型和計(jì)算方法

1.1 構(gòu)建燃燒與脫硝模型

本文所研究的垃圾焚燒爐為丹麥BWV公司制造的多級(jí)傾斜順推式爐排爐，包括進(jìn)料斗、爐膛、三個(gè)煙道區(qū)域以及多種換熱裝置。工藝流程如下：生活垃圾通過(guò)進(jìn)料斗進(jìn)入爐膛后被輸送至各級(jí)爐排上方，燃燒后爐渣從排渣口排出；產(chǎn)生的煙氣向上運(yùn)動(dòng)，在煙道余熱鍋爐區(qū)域進(jìn)行SNCR脫硝處理，然后經(jīng)過(guò)各種處理排出大氣。爐膛與煙道區(qū)域即可完成燃燒與脫硝過(guò)程，因此本文將物理模型簡(jiǎn)化成圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)垃圾焚燒爐燃燒數(shù)值模擬需要及其實(shí)際運(yùn)行情況，利用Mesh軟件設(shè)置網(wǎng)格劃分方式為Terahedrons，為使模擬結(jié)果更精準(zhǔn)，對(duì)二次風(fēng)口與燃盡風(fēng)口等參數(shù)變化復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

1.3 數(shù)值計(jì)算模型及基本設(shè)置

本文對(duì)垃圾焚燒電廠的生活垃圾進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 生活垃圾成分分析 %

根據(jù)垃圾焚燒處理工藝并結(jié)合模型適用場(chǎng)景，本文采取的分析步驟以及各步驟所使用數(shù)值模型、相關(guān)設(shè)置具體如下：選擇湍流模型為Realizablek-ε模型、輻射模型為P1模型、化學(xué)反應(yīng)模型為有限速率/渦耗散(FR-ED)模型，化學(xué)反應(yīng)類型為甲烷與空氣燃燒反應(yīng)。再模擬NOx生成，根據(jù)垃圾焚燒生成的NOx類型，勾選Thermal NOx與 Fuel NOx選項(xiàng)[3,5]。先添加氨水材料再激活SNCR模型，然后采用DPM模型定義氨水注入點(diǎn)，選擇噴射器類型為實(shí)心錐形、顆粒類型為液滴、蒸發(fā)相為NH3并設(shè)置相關(guān)噴射參數(shù)。根據(jù)焚燒爐實(shí)際脫硝工況條件設(shè)置初始噴射參數(shù)，具體如下：氨氮摩爾比為1.3，噴射速度為14 m/s，噴射角度為60°，噴槍入爐膛長(zhǎng)度為0.75 m，液滴粒徑為400 μm。另外，考慮到顆粒與流場(chǎng)的相互作用，勾選Interaction with Conti-nuous Phase選項(xiàng)。關(guān)閉DPM模型并重新求解NOx模型，分析脫硝后焚燒爐內(nèi)NOx濃度的變化情況。

1.4 設(shè)置邊界條件

設(shè)置各級(jí)爐排的邊界類型為速度入口并輸入速度、溫度以及各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)；二次風(fēng)口與燃盡風(fēng)口設(shè)置為速度入口。由焚燒爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)可知，各風(fēng)口溫度為298.15 K。二次風(fēng)口S1速度為90.64 m/s，S2速度為5.67 m/s。燃盡風(fēng)口 F1速度為64.35 m/s，F(xiàn)2速度為27.27 m/s；爐膛區(qū)域設(shè)置為絕熱壁面?？紤]到煙道區(qū)域分布有余熱鍋爐將其設(shè)置為恒溫壁面，溫度為750 K；出口采用壓力出口。對(duì)于上述邊界的DPM條件，將入口及出口邊界設(shè)置為escape，爐膛與煙道區(qū)域壁面設(shè)置為trap。本文主要分析噴射位置、噴槍數(shù)量、氨氮摩爾比(NSR)和噴射速度變化時(shí)煙道區(qū)域內(nèi)NOx與NH3分布狀態(tài)、脫硝效率、出口氨逃逸量的變化規(guī)律。

1.5 數(shù)值方法

求解方法為SIMPLE，離散化采用First Order Upwind。為提高計(jì)算過(guò)程收斂性，將松弛因子盡量調(diào)小。通過(guò)殘差曲線判斷收斂，在求解氣相燃燒與脫硝過(guò)程時(shí)除污染物控制方程外其余控制方程均開(kāi)啟，設(shè)置能量方程與輻射方程殘差監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)為10-6，其余方程為10-3。在求解NOx模型時(shí)只保留污染物控制方程，設(shè)置殘差監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)為10-6。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 噴射位置影響

本文所研究垃圾焚燒爐采用固定式三層噴槍進(jìn)行噴射。為研究噴射位置對(duì)于脫硝過(guò)程的影響，分析在開(kāi)啟不同噴槍時(shí)NOx與NH3濃度的變化情況，具體工況見(jiàn)表2，其他變量保持不變。

表2 噴射位置工況設(shè)置

當(dāng)氨水總流量固定時(shí)，噴槍開(kāi)啟數(shù)量越少則單只噴槍噴射的氨水就越多，根據(jù)分析，第一噴射層煙氣平均溫度更高，更有利于脫硝反應(yīng)進(jìn)行。另外，第一噴射層離煙氣出口遠(yuǎn)，還原劑有更多時(shí)間去進(jìn)行脫硝反應(yīng)，而第三噴射層因?yàn)闊煔馄骄鶞囟鹊颓译x煙氣出口近，脫硝反應(yīng)時(shí)間少很多。根據(jù)圖3和圖5(a)可知各工況下煙道區(qū)域內(nèi)NOx濃度均隨煙道高度升高而降低，工況4中 NOx低濃度區(qū)域面積最大且NOx濃度下降幅度最大，工況6 NOx低濃度區(qū)域面積最小且NOx濃度下降幅度最小。由圖4和圖5(b)可知，NH3分布狀態(tài)與初始噴射層相關(guān)，噴射層越靠近煙道下方NH3分布范圍越廣。開(kāi)啟噴射層所在截面附近NH3濃度會(huì)突然上升，而其他高度區(qū)域NH3濃度變化較小。總體來(lái)看，雖然工況4氨逃逸量較多，但是其脫硝效率很高，綜合考慮工況4屬于最佳工況。

2.2 噴槍數(shù)量影響

本節(jié)將研究噴槍數(shù)量對(duì)于SNCR脫硝效率以及氨逃逸量的影響。結(jié)合2.1節(jié)只分析開(kāi)啟第一層噴槍條件下(工況4)，煙道前后墻上分別增加兩支、四支與八只噴槍時(shí)NOx與NH3濃度的變化情況。工況條件見(jiàn)表3，噴槍布置狀態(tài)見(jiàn)圖6。

表3 噴槍數(shù)量工況設(shè)置

觀察圖7發(fā)現(xiàn)：增加噴槍數(shù)量基本不會(huì)改變煙道區(qū)域NOx分布狀態(tài)，但是會(huì)對(duì)NOx低濃度區(qū)域的面積大小產(chǎn)生影響。其中，工況1中NOx低濃度區(qū)域面積最大，說(shuō)明相對(duì)于其他工況脫硝效果相對(duì)較好。由圖7和圖9(a)可知，各工況下截面NOx平均濃度隨高度變化情況基本一致，說(shuō)明噴槍數(shù)量增多對(duì)SNCR脫硝過(guò)程幾乎沒(méi)有影響，因?yàn)閱螄娚淞髁恳驗(yàn)閲姌寯?shù)量增多而減小。由圖8及圖9(b)可知噴槍數(shù)量逐漸增加整個(gè)煙道區(qū)域內(nèi)NH3濃度分布更加均勻，各工況下煙道截面上NH3平均濃度隨高度變化趨勢(shì)一致且出口濃度差異不大。綜合考慮看出，現(xiàn)有條件下增加噴槍幾乎無(wú)效果，因此建議保持現(xiàn)狀(7支噴槍)。

2.3 氨氮摩爾比(NSR)影響

為研究氨水流量對(duì)于脫硝過(guò)程的影響，本節(jié)選取氨氮摩爾比處于1～1.6的7種工況進(jìn)行模擬，工況設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 氨氮摩爾比工況設(shè)置

由圖10(a)可知，當(dāng)氨氮摩爾比從1增大到1.6時(shí)，在煙道區(qū)域，NOx濃度的下降幅度逐漸增大，因?yàn)殡S著氨氮摩爾比增大即氨水噴射量增加，其脫硝反應(yīng)速率加快，同時(shí)將有更多的氨水液滴參加還原反應(yīng)，引起NOx濃度降低。由圖10(b)可知，18 m與27 m高度截面上各工況的NH3平均濃度存在明顯區(qū)別，氨氮摩爾比越大時(shí)NH3濃度越高。這是因?yàn)樵诔跏糔Ox濃度相同時(shí)，需要的還原劑總量不變，氨水流量增大會(huì)NH3剩余更多，引起各截面上NH3平均濃度上升。

由圖10可知，氨氮摩爾比增加時(shí)脫硝效率與氨逃逸量均增大時(shí)，當(dāng)氨氮摩爾比屬于1.3～1.4時(shí)脫硝速率增速明顯降低并且?guī)缀醣３植蛔?，而氨逃逸量持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)氨氮摩爾比為1.6時(shí)，脫硝效率和氨逃逸量與氨氮摩爾比取1相比分別提高了18.29%、89.15%，與氨氮摩爾比取1.3相比分別提高了6.81%、41.16%。綜上所述本文建議氨氮摩爾比取1.3(工況0)，由此既能保證脫硝效率、減小氨水消耗量，還能將氨逃逸量控制在較低水平。

2.4 噴射速度影響

為研究噴射速度對(duì)于脫硝過(guò)程的影響，本節(jié)設(shè)置7種模擬工況。各工況噴射速度與原始工況噴射速度比值位于0.4～1.6，工況設(shè)置見(jiàn)表5。

表5 噴射速度工況設(shè)置

由圖11(a)可知，在煙道區(qū)域內(nèi)，當(dāng)氨水噴射速度從5.6 m/s增大到22.4 m/s時(shí)，出口截面(27 m)上NOx平均濃度分別比18 m高度處下降較多，且隨著噴射速度增加下降幅度也在增加，在工況5(噴射速度19.6 m/s)效果最好，但是當(dāng)噴射速度繼續(xù)增大到22.4 m/s時(shí)脫硝效果反而變差。分析原因可知當(dāng)噴射速度在一定范圍內(nèi)持續(xù)增大時(shí)有利于氨水液滴與煙氣進(jìn)行充分混合與換熱，在較短時(shí)間內(nèi)液滴能夠析出NH3，從而延長(zhǎng)NH3與NOx反應(yīng)時(shí)間。同時(shí)，速度變大意味著液滴具有的動(dòng)能增加，這樣能夠保證更多氨水液滴更快到達(dá)漩渦中心區(qū)域參與還原反應(yīng)，引起NOx濃度的下降幅度增大。當(dāng)速度達(dá)到22.4 m/s時(shí)，由于氨水液滴蒸發(fā)速率過(guò)快可能導(dǎo)致反應(yīng)區(qū)域內(nèi)溫度下降，從而降低脫硝效果，或者由于液滴在煙氣氣流影響下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到煙道壁面附近的低溫、低NOx濃度區(qū)域，造成脫硝反應(yīng)速率降低、NOx濃度的下降幅度減小。觀察圖11(b)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射速度變化時(shí)，18～27 m煙道區(qū)域內(nèi)NH3平均濃度隨煙道高度變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明改變噴射速度幾乎不會(huì)影響NH3分布狀態(tài)。最終在27 m高度截面上，各工況下NH3濃度差值小于0.6×10-6。

由圖11可知，在5.6 ～22.4 m/s噴射速度，隨氨水噴射速度增大脫硝效率呈現(xiàn)先小幅度降低后持續(xù)升高再大幅度降低的趨勢(shì)，當(dāng)噴射速度為19.6 m/s時(shí)脫硝效率最高，為56.47%。噴射速度改變會(huì)引起出口氨逃逸量小幅度波動(dòng)，波動(dòng)幅值小于1×10-6，最小氨逃逸量為6.75×10-6且出現(xiàn)在19.6 m/s噴射速度條件下。綜上，本文建議選取氨水噴射速度為19.6 m/s。

2.5 優(yōu)化工況選擇

根據(jù)前文分析結(jié)果設(shè)置優(yōu)化工況參數(shù)條件見(jiàn)表6。煙道區(qū)域NOx與NH3分布狀態(tài)如圖12所示，由圖12可知，在18～27 m煙道區(qū)域范圍內(nèi)NOx濃度隨高度升高持續(xù)降低，降低速率逐漸放緩，該區(qū)域內(nèi)NOx濃度的下降幅度為57.12%；NH3濃度隨高度升高先迅速上升后逐漸下降，20 m高度截面上NH3濃度最高，為9.43×10-6。綜合來(lái)看，NOx與NH3濃度均在18～20 m高度范圍內(nèi)出現(xiàn)大幅度變化，這與第一層噴槍開(kāi)啟有關(guān)。

表6 優(yōu)化工況設(shè)置

煙道出口NOx與NH3分布狀態(tài)如圖13所示，此時(shí)出口截面上NOx平均濃度為85.28 mg/m3，故脫硝效率為68.03%，NH3平均濃度(氨逃逸量)為4.64×10-6。相比于原始工況，脫硝效率提高24.62%，氨逃逸量降低37.38%。在優(yōu)化工況條件下實(shí)現(xiàn)了脫硝效率最高、氨逃逸量最低的脫硝效果，為實(shí)際脫硝工藝設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供了參考意見(jiàn)。

3 結(jié) 論

本文建立焚燒爐燃燒和脫硝數(shù)值模型并構(gòu)建物理模型，利用Fluent研究各種參數(shù)對(duì)脫硝特性的影響規(guī)律，分析煙道區(qū)域內(nèi)NOx與NH3分布狀態(tài)、脫硝效率以及氨逃逸量，得到以下結(jié)論：

(1)噴射位置和氨氮摩爾比對(duì)于煙道區(qū)域內(nèi)NOx分布狀態(tài)、脫硝效率具有較大影響。與其他工況相比，只開(kāi)啟第一層噴槍，煙道區(qū)域內(nèi)NOx濃度的下降幅度最大且氨逃逸量相差不大。隨著氨氮摩爾比增大，煙道區(qū)域內(nèi)NOx濃度下降幅度增大、脫硝效率提高但是氨逃逸量持續(xù)增加，氨氮摩爾比為1.6時(shí)出口氨逃逸量超標(biāo)，氨氮摩爾比取1.3時(shí)綜合效果最好。

(2)噴槍數(shù)量和噴射速度對(duì)于煙道區(qū)域內(nèi)NOx分布狀態(tài)、脫硝效率影響不大。噴槍數(shù)量的增加基本不會(huì)改變煙道區(qū)域NOx分布狀態(tài)，會(huì)讓NH3分布變得更加均勻，但出口氨逃逸量的差值很小。當(dāng)噴射速度增大時(shí)，各類工況下NOx濃度下降幅度不大，同時(shí)對(duì)出口處氨逃逸量影響較小。

(3)優(yōu)化工況條件為：僅開(kāi)啟第一層噴槍并保持噴槍數(shù)量為7支，噴槍伸入爐膛0.75 m，氨氮摩爾比取1.3，液滴粒徑為400 μm，噴射速度和角度分別為19.6 m/s和60°。此工況條件下得出脫硝效率為68.03%，比原始工況提高24.62%，氨逃逸量為4.64×10-6，比原始工況降低37.38%。