600 MW超超臨界“W”型火焰鍋爐SNCR脫硝的數(shù)值分析

張澤玉 連長康 任庚坡 呂宏俊

1.深圳市格瑞斯達科技有限公司

2.上海市節(jié)能中心

0 概述

“W”型火焰鍋爐有效提高了燃煤適應(yīng)性、低負荷穩(wěn)態(tài)燃燒能力和飛灰燃燼率，在燃料著火、火焰穩(wěn)定和燃料燃燼方面有著顯著的優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于電站機組中。我國現(xiàn)役大型機組“W”型火焰爐低氮燃燒器改造后的NOx 排放濃度在800～1 200 mg/Nm3之間［1］，遠高于常規(guī)燃燒方式鍋爐的NOx 排放水平。為達到國家超低排放標準要求，“W”型火焰鍋爐在低氮燃燒器改造后，可采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)來提高脫硝效率，其中，設(shè)置的SNCR 脫硝系統(tǒng)主要用于降低成本、減輕后段SCR脫硝系統(tǒng)的處理壓力，確保整個脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟、高效。

數(shù)值計算已被廣泛應(yīng)用于大型電站鍋爐燃燒和污染物排放控制領(lǐng)域的研究［2-4］，也是SNCR技術(shù)工程應(yīng)用的一種重要輔助設(shè)計手段［5-6］。本文借助CFD 軟件平臺Fluent，對某600 MW 超超臨界“W”型火焰鍋爐在100%、75%和50%負荷下的SNCR脫硝過程進行了數(shù)值模擬研究，將計算獲得的SNCR 反應(yīng)區(qū)域溫度場、NO 濃度變化、NH3濃度變化等模擬分析成果作為項目設(shè)計依據(jù)，在實際運行中進行驗證分析，為SNCR 技術(shù)在國內(nèi)超超臨界“W”火焰鍋爐上的應(yīng)用提供設(shè)計參考和數(shù)據(jù)支持。

1 研究對象

研究對象為600 MW 超超臨界“W”型火焰鍋爐，鍋爐及燃料參數(shù)見表1。噴射層布置在＋58.90 m（上層）、＋56.75 m（中層）、＋54.50 m（下層）這三處爐內(nèi)高、低溫區(qū)域；每層共設(shè)置17支霧化噴槍，噴槍的布置形式相同，其中前墻15 支噴槍將霧化氨水噴入爐膛內(nèi)部，實現(xiàn)較大的還原劑覆蓋范圍，左右側(cè)墻各1支噴槍補充部分霧化氨水，增加還原劑覆蓋率，噴槍布置見圖1。

圖1 高低溫區(qū)域SNCR噴槍布置示意圖

表1 鍋爐及燃燒主要參數(shù)

圖2 為鍋爐局部區(qū)域模型圖，標綠截面為采用壓力出口邊界條件的SNCR出口，用于考查100%、75%、50%負荷下投運對應(yīng)噴射層SNCR 噴槍時的脫硝變化。噴射層溫度根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)設(shè)置，100%負荷時為1 314 K、75%負荷時為1 285 K、50%負荷時為1 154 K。100%負荷下，NOx初始濃度設(shè)置為800 mg/Nm3（標態(tài)、干基、6%O2），除氧氣、水分外，其他煙氣成分并不影響脫硝反應(yīng)的進行，其組分分布按經(jīng)驗設(shè)置。

圖2 鍋爐SNCR區(qū)域模型

噴槍模擬采用injection方式，噴嘴采用solid-cone型號，霧化角度30°，常溫下氨水經(jīng)壓縮空氣混合、霧化后噴入，液滴初速度由液體總流量確定，液滴粒徑可通過霧化壓力調(diào)節(jié)，并由激光粒度分析儀測得，出于簡化在計算時取索特爾平均直徑。標準噴射工況下，噴射速度為50 m/s，平均粒徑為156 μm。

為保證SNCR脫硝效率，并確保后段SCR脫硝系統(tǒng)有足夠的反應(yīng)所需氣氨，且氨逃逸量控制在排放限值之內(nèi)，經(jīng)脫硝物料平衡計算，在噴入氨水溶液濃度為5%的情況下，100%、75%、50%負荷時每個噴槍流量分別為1 080、792、648 kg/h。性能考核試驗時，在鍋爐正常負荷范圍內(nèi)，SNCR脫硝效率≥30%。

2 建立模型

2.1 數(shù)學模型

湍流模型：鑒于所模擬的“W”型火焰鍋爐為全尺寸建模，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文采用RNG k-ε雙方程模型進行流場模擬。RNG k-ε湍流模型考慮了旋轉(zhuǎn)流場對湍流黏度的影響，是對標準k-ε湍流模型的進一步改善，在模擬旋流流場中大大優(yōu)于標準的k-ε湍流模型。

離散相模型：采用拉格朗日坐標系下跟蹤的方式對氨水液滴在氣相中運動進行處理，由于氣體的湍流渦團與顆粒相之間的相互作用，認為顆粒相運動符合隨機軌道模型，因此，在積分計算顆粒軌跡時利用軌跡上各點的流體瞬時速度。另外，顆粒相存在蒸發(fā)、揮發(fā)等過程，所以在離散相與連續(xù)相之間存在耦合傳熱、傳質(zhì)的相互作用。對氨水溶液液滴而言，在噴射入爐膛之后會很快揮發(fā)蒸發(fā)［7］。

化學反應(yīng)模型：對于氣相的非預(yù)混反應(yīng)和SNCR這類化學速率相對較慢的反應(yīng)，不能應(yīng)用“快速反應(yīng)假設(shè)”［8］，采用旋渦/動力學模型進行模擬；該模型可以很好地模擬湍流與化學反應(yīng)的相互作用，在計算化學反應(yīng)速率時，同時計算湍流耗散速率和Arrhenius 速率，然后取其中的較小者。采用的SNCR簡化模型見表2。

表2 SNCR反應(yīng)機理及系數(shù)

2.2 建模軟件

采用fluent 軟件進行爐內(nèi)燃燒過程的綜合建模。

3 結(jié)果分析

以100%、75%、50%鍋爐負荷為基準進行SNCR脫硝的數(shù)值模擬研究，100%負荷時投運對應(yīng)的上層17 根噴槍、75%負荷時投運對應(yīng)的中層17 根噴槍、50%負荷時投運對應(yīng)的下層17根噴槍。

3.1 溫度模擬值與實測值的對比

SNCR 脫硝對反應(yīng)溫度非常敏感，對溫度場的準確模擬是后續(xù)SNCR 脫硝過程準確模擬的先決條件。如圖3 所示，總體而言，鍋爐的高、低溫區(qū)域各截面溫度的模擬值與實測值吻合較理想，絕大部分區(qū)域的煙溫都在900～1 100 ℃之間，這是進行SNCR脫硝反應(yīng)比較理想的溫度區(qū)域。

圖3 對應(yīng)噴射層截面溫度計算值與實驗值的對比圖

3.2 出口NOx模擬值與實測值的對比

如圖4 所示，當對應(yīng)噴射層的SNCR 噴槍分別投用后，NO 濃度明顯降低，100%、75%、50%鍋爐負荷下NO 出口濃度值分別為542、472、439 mg/Nm3，脫硝效率分別為32.2%、41.0%、45.1%，均滿足性能考核指標“SNCR 脫硝效率≥30%”的要求。

圖4 SNCR出口截面NO分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計的SNCR 脫硝系統(tǒng)調(diào)試、投運后，100%負荷下NOx 排放濃度在420～490 mg/Nm3之間（見表3），脫硝效率均大于30%，驗證了SNCR 數(shù)值模擬的有效性和準確性。由表3 可知，實測時NOx 初始濃度在630～780 mg/Nm3之間，遠小于NOx 初始濃度設(shè)定值800 mg/Nm3，從SNCR 脫硝反應(yīng)機理而言，NO初始濃度值越低，達到同樣的脫硝效率的難度越大，這進一步說明了SNCR 脫硝數(shù)值模擬的有效性。

表3 100%負荷穩(wěn)定運行期間的SNCR脫硝數(shù)據(jù)

3.3 出口氨逃逸量實測值與計算值的對比

對于進行SNCR 改造的鍋爐，必須將氨逃逸控制在盡可能低的水平［9］；在合適的反應(yīng)溫度的條件下，氨逃逸量主要決定于氣液的混合程度，而受溫度梯度的影響很小。從圖5可見，基本上，隨著氨水溶液噴射量的降低，液滴動能減小，其穿透距離降低，SNCR出口的平均氨逃逸量持續(xù)增大，圖5顯示出100%、75%、50%負荷下SNCR出口的氨逃逸量分別為42、64、75 ppm。這主要是由于噴射的液滴顆粒向爐膛中心運動，揮發(fā)出的氣氨經(jīng)過過熱器的擾流作用，與煙氣充分混合，并在高溫下迅速反應(yīng)，即使出現(xiàn)局部的氣氨量過剩，在爐膛中心接近SNCR反應(yīng)溫度上限的區(qū)域，也會被O2迅速氧化；而在動能不足的外圍低溫區(qū)，反應(yīng)速率較慢，揮發(fā)出的氣氨尚未反應(yīng)就被煙氣攜帶到上方溫度更低的區(qū)域，最終導(dǎo)致氨逃逸量相對嚴重，這與實測數(shù)據(jù)是一致的。

圖5 SNCR出口NH3濃度分布

4 結(jié)論

以現(xiàn)役600 MW“W”型火焰鍋爐為研究對象，采用RNG k-ε湍流模型、離散相模型、旋渦/動力學化學反應(yīng)模型及FLUENT 分析軟件，以100%、75%、50%鍋爐負荷所對應(yīng)的熱力計算參數(shù)作為邊界條件對SNCR 脫硝進行數(shù)值模擬，分析投運對應(yīng)噴射層時的脫硝規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）爐內(nèi)高、低溫區(qū)域各截面溫度的模擬值與實測值吻合較好，絕大部分區(qū)域的煙溫都在900～1 100 ℃之間。

（2）100%、75%、50%鍋爐負荷下分別投運對應(yīng)層的17支SNCR噴槍，均能保證還原劑在爐膛中的覆蓋率，氨水揮發(fā)出來的氣氨與NOx 混合均勻，脫硝效率分別為32.2%、41.0%、45.1%，NOx 最終排放濃度分別為542、472、439 mg/Nm3，氨逃逸量分別為42、64、75 ppm。該計算值與實測數(shù)據(jù)是一致的，驗證了SNCR數(shù)值模擬的有效性和準確性。

（3）實際運行時，投運的噴槍可根據(jù)鍋爐負荷實際情況進行調(diào)整、組合使用。