大型燃煤锅炉SNCR脱硝的数值模拟

曹庆喜，刘沛奇，张雨谦，邬文燕，刘 辉，杨春晖，吴少华

(哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨150001)

0 前言

在各种低NOx控制技术中，选择性非催化还原(SNCR)法具有改造容易、投资小以及易于与其它低NOx控制技术联合应用等特点［1］，因而引起广泛的重视。SNCR技术把含有氨基的还原剂(氨、尿素等)喷入到燃烧后具有合适温度的烟气中，在没有贵金属催化剂参与的情况下，还原剂选择性地将烟气中的NOx还原为氮气。反应温度对SNCR脱硝技术影响巨大，合适的脱硝温度一般在900～1 100℃。温度过低，SNCR脱硝反应速率太低使脱硝效率下降，未反应完全的NH3会随烟气排出，引起二次污染;温度过高，还原剂可能会被氧化生成NOx，脱硝效率也会下降［2］。

目前，SNCR脱硝方面的研究大多在中小型试验台上进行［1－3］，大型燃煤锅炉上SNCR脱硝的研究报道十分少见。另一方面，在大型燃煤锅炉上对SNCR脱硝进行工业试验的成本非常高，而数值模拟是一种经济有效的研究方法。一些研究者［4－6］对中小型装置上的SNCR脱硝进行了数值模拟。王智化等［7］通过数值计算对一台410 t/h燃煤锅炉上SNCR脱硝过程进行了详细的研究。这些研究为SNCR技术在大型燃煤锅炉上的应用提供了有益的参考，但其研究对象的尺寸要远小于我国主力发电机组(600 MW及以上机组)锅炉。有报道指出，SNCR技术的脱硝效果随炉膛尺寸的增大而恶化［4，7］。

在已有研究的基础上，对我国主力电站锅炉上SNCR技术的应用效果进行数值研究，对促进SNCR脱硝技术在大型燃煤锅炉的推广应用，具有重要的指导意义。本文借助计算流体力学软件平台Fluent，对一台600 MW燃煤锅炉上的SNCR脱硝进行模拟，并初步考察脱硝添加剂CO在大型燃煤锅炉上的应用效果。

1 研究对象简介

研究对象是一台600 MW燃煤锅炉，详见文献［8］。根据燃烧过程计算得出的炉内温度分布，适合SNCR脱硝的炉膛空间在高50 m以上［8］。因此，本文SNCR脱硝计算取高50 m至顶棚(73.2 m)的炉内区域(图1)。该炉膛左右墙之间分别均匀布置有8片分隔屏过热器、32片屏式过热器以及51片末级过热器。

图1 上炉膛及还原剂喷射点示意图Fig.1 Schematic illustration of the upper furnace and the reducing regent injection position

如图1所示，炉内SNCR脱硝还原剂喷射位置分为6个区，其中1区、2区、3区为垂直于水冷壁壁面布置的墙式喷嘴，1区喷枪的高度为52.25 m，四面炉墙各有4支，合计16支;2区、3区喷枪分别布置在高58.8 m、63.05 m处，每区仅在前墙布置了7支喷枪。4区、5区、6区为深入炉膛的水冷长喷枪，每个区域在两侧墙各安装有一支长喷枪，每支长喷枪长约7 m，上下各有12个喷孔。4区、5区、6区喷枪分别位于炉高59.55 m、64 m、67.1 m处，其中4区、5区喷枪距前墙约11.62 m，6区喷枪距离前墙大约9.97 m。

燃烧过程计算见文献［8］，将其得到的50 m高的水平截面的温度分布、速度分布、烟气组分分布导入，作为SNCR脱硝计算的入口条件，入口的主要烟气成分和温度的平均值见表1。在热边界条件中指定壁面温度，根据工质温度及管壁热阻，水冷壁壁面温度近似取为363～478℃的线性变化，分隔屏过热器和屏式过热器的壁面温度分别取为535.5℃和587.5℃。参考相关文献［9］，假定雾化喷嘴喷出的还原剂液滴粒径范围为50～300 μm，服从Rosin－Rammler分布，平均粒径为200 μm。

表1 SNCR脱硝入口烟气成分和温度的平均值Tab.1 The average value of flue gas composition and temperature at the inlet of SNCR process

为了能够对脱硝还原剂与烟气的流动混合进行较为准确的计算，SNCR脱硝区域网格划分较为细密，并根据各级过热器的节距的不同分别进行了局部加密(见图2)，网格总数为140万左右。

图2 网格划分俯视图Fig.2 Grid structure planform

2 SNCR脱硝模拟的数学模型

还原剂液滴在烟气中的运动采用随机轨道模型计算，辐射传热采用P－1模型，气相湍流模型采用可实现的k－ε双方程模型［10］。湍流中SNCR化学反应的计算采用漩涡耗散概念模型(EDC)进行模拟。EDC模型能在湍流反应流动中合并详细的化学反应机理，其基本思想是假定反应发生在小的湍流结构中，此结构称为良好尺度［11］。良好尺度的容积比率按式(1)计算

式中Cξ——容积比率常数，取2.1377;

ν——运动粘度/m2·s－1。

此模型认为物质在小的结构中，经过一个时间尺度τ*=Cτ(ν/ε)1/2后开始反应。其中Cτ为时间尺度常数，为0.4082。反应经过时间尺度τ*后开始进行，反应速率受Arrhenius方程控制，反应的速率常数可以通过Arrhenius公式(2)计算得到

式中Ar——指数前因子;

Er——反应活化能;

R——气体常数;

T——热力学温度。

SNCR脱硝工程中采用10%的尿素溶液作为还原剂。尿素溶液液滴喷入炉膛后受热很快挥发蒸发并分解。在有水存在的条件，尿素的分解反应一般可归总为［12］

由于326.85℃时尿素接近完全分解［7，13］，为了简化计算，本文近似认为尿素在挥发的瞬间就转化为NH3。根据文献研究，一般认为SNCR脱硝可用以下两个总包反应描述［14］。

反应(4)和反应(5)的速率计算如下。

式中kr和kox为反应速率常数，［NO］、［NH3］和［O2］分别为NO、NH3和O2的浓度。

本文还计算了添加CO的SNCR反应，根据文献中的研究结果［14－15］，CO对SNCR反应的影响采用文献［14］对公式(2)中反应温度T进行修正的方法来考虑，即式(6)和式(7)中的kr和kox计算如下:

式中，ar、aox、Er、Eox的数值取自文献［14］，详见表2。

表2 SNCR总包反应模型的动力学参数Table2 Kinetic parameters of overall reaction model for SNCR process

其中x为添加剂CO的浓度。

CO氧化反应方程式如下。

该反应的反应速率按文献［16］，计算如下。

式中［CO］和［H2O］分别为CO和H2O的浓度，kco为反应速率常数，按式(13)计算。

3 计算结果分析

3.1 炉内温度分布

从图3可以看出，高为52.25 m的炉内大部分区域温度水平在1 300℃以上，远高于SNCR脱硝的温度窗口，说明满负荷运行工况下布置在该炉膛高度的还原剂喷射1区的喷枪不宜采用。高58.8 m前墙附近的区域温度水平在1 100～1 200℃之间，也高于SNCR脱硝对温度的要求，所以此处的2区还原剂喷枪也不宜采用。3区、4区喷枪附近区域的温度大致在1 000～1 100℃，适合SNCR脱硝反应。5区喷枪附近的温度在900℃左右，该温度下SNCR反应仍然能够进行，但是由于反应速率较慢，有可能引起NH3漏失。6区喷枪附近的温度在900℃以下，也不适合SNCR脱硝。根据以上分析，投用3区、4区、5区的还原剂喷枪。总氨氮摩尔比为1.1。由于5区附近温度水平较低，容易引起NH3漏失，只喷入15%的还原剂。3区和4区附近炉内温度相对较高，分别喷入纳入40%和45%的还原剂。

图3 炉膛中心纵截面温度分布(℃)Fig.3 Temperature in furnace center vertical section(℃)

3.2 NH3和NO分布

图4给出了炉膛水平截面上NH3浓度分布，在高为60 m的水平截面附近，由于只有还原剂喷射4区投运，因此NH3只分布在屏式过热器区域。在高为64 m的水平截面附近，布置有还原剂喷射3区和5区，其中3区墙式喷枪喷入的还原剂主要分布在距离前墙5 m以内的区域，5区长喷枪喷射的还原剂主要分布在屏式过热器区域，可见各区喷射的还原剂均不能达到距离前墙5～10 m的空间内。可见，大型燃煤锅炉的炉膛体积较大，喷入到炉内的还原剂难以到达炉膛中心，其与烟气的混合情况较差，这会限制SNCR脱硝的作用效果。

图4 炉膛水平截面NH3浓度分布(μL/L)Fig.4 NH3concentration in furnace horizontal section(μL/L)

图5给出了64 m的炉膛水平截面NO浓度分布，可见采用SNCR脱硝前NO浓度大致在200～220 μL/L之间，采用SNCR脱硝后NO浓度显著降低，局部最低降到100 μL/L左右。

图5 64 m水平截面NO浓度分布(μL/L)Fig.5 NO concentrationin furnace horizontal section at the height of 64 m(μL/L)

计算得到SNCR脱硝效率为27%，NH3漏失较高，为23 μL/L。

3.3 添加CO的SNCR脱硝

为了降低NH3漏失，根据以上分析，对各组喷枪还原剂喷射量作了调整，并把添加剂CO气体从还原剂喷枪的雾化介质通道喷入炉内。对采用CO的SNCR脱硝工况，SNCR系统的运行参数如下，氨氮摩尔比1.1，3区和4区分别喷入40%和50%的还原剂，由于5区和6区喷枪附近的温度水平较低，所以各喷入5%的还原剂。CO全部从6区喷入，其与烟气中NO总量的摩尔比为5。

由图6(a)可以看出，该截面前墙附近有一定量的NH3，局部最高浓度达到60 μL/L，分析表明这是3区喷入的还原剂被烟气携带上来的。在屏式过热器区域，由于6区喷入了添加剂CO(见图6(b))，加速了SNCR反应对NH3的消耗，NH3浓度低于20 μL/L，所以NH3漏失不会很严重。

图6 高为68 m的水平截面NH3和CO浓度分布(μL/L)Fig.6 NH3 and CO concentration in furnace horizontal section at the height of 68 m(μL/L)

从图6看，屏式过热器区域的NH3浓度比前墙附近的低，但是图7表明屏式过热器区域的NH3和NO的反应速率(绝对值)均比前墙附近大，这说明添加剂CO提高了SNCR反应速率，促进了低温下NH3和NO的反应，降低了NH3漏失。计算结果表明NH3漏失为10 μL/L，CO漏失也比较低，为42 μL/L，但是脱硝效率略有降低，为26%。

图7 68 m水平截面NH3和NO的反应速率(mg/(m3·s))Fig.7 Net reactioin rate of NH3 and NO in furnace horizontal section at the height of 68 m(mg/(m3·s))

4 结论

(1)大型燃煤锅炉上温降梯度大，温度适宜进行SNCR脱硝反应的炉内空间小;根据温度分布，锅炉满负荷运行时，SNCR脱硝系统投用还原剂喷射3区、4区和5区的喷枪比较合适。

(2)计算结果表明，在氨氮摩尔比为1.1的条件下，该600 MW燃煤锅炉上SNCR脱硝效率在27%左右。

(3)向炉内喷入少量的添加剂CO可加快SNCR反应的速率，使NH3漏失从23 μL/L降低到10 μL/L。

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