链条锅炉烟气的选择性非催化还原脱硝工艺改造

丁敏

摘 要：锅炉烟气中包含了大量的NOx物质，是大气污染的重要成因。在节能减排的大背景下，实现工业生产锅炉改造升级，确保其满足超低排放标准意义重大。文章以双钱集团链条锅炉烟气脱硝项目为例，在阐述链条锅炉使用现状的基础上，对应用CFD技术的喷枪选择和脱硝模拟过程进行分析，并指出脱硝工艺的改造策略和效果。通过选择性非催化还原脱硝工艺的应用，在保证链条锅炉烟气高效处理的同时，推动节能减排工作进一步发展。

关键词：链条锅炉；选择性非催化还原脱硝工艺；CFD技术；烟气排放

中图分类号：TK229.6 文献标志码：A 文章编号：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

随着工业化建设的深入，环境污染问题日益严重。作为大气污染的主要污染物，氮氧化物不仅会产生光化学污染和酸雨危害，更容易对人的呼吸道造成感染，危害身体健康。可持续发展理念下，人们开始重视氮氧化物的净化处理。现阶段，选择性非催化还原（SNCR）技术和选择性催化还原（SCR）技术是烟气脱硝的主要工艺。就选择性非催化还原技术而言，在氨基还原剂雾化滴喷作用下，将NOx还原成N2和H2O，实现了NOx排放浓度的有效控制。与SCR技术相比，SNCR技术不需使用催化剂，且对于反应设备的要求较低，具有较高的效率和质量。本文结合双钱集团的链条锅炉烟气脱硝项目实例，就CFD技术下的链条锅炉烟气选择性非催化还原脱硝工艺改造要点进行分析。

1 项目概况

本项目改造内容为1台锅炉的“SNCR+SCR”整套烟气脱硝装置和2台锅炉还原剂共用系统，锅炉技术参数如表1所示。项目建设中，《锅炉大气污染物排放标准》GB 13271-2014是锅炉烟气脱硝改造的基本依据，在其指导下拟采用SNCR+SCR联合脱硝技术，对1台35t/h链条炉进行脱硝改造，改造结果需确保NOx排放降低到50mg/Nm3以下，同时改造后设备需不影响锅炉原有的安全性、热效率性。实践中，锅炉烟气脱硝分批次改造实施，有效提升了选择性非催化还原脱硝工艺应用水平，确保了烟气锅炉净化处理质量。

表1 链条锅炉技术参数

2 改造前锅炉工况

锅炉工况是烟气净化处理的基础，同时也是选择性非催化还原脱硝应用的前提。双钱集团的35t锅炉出口尚无任何脱硝装置，锅炉运行溫度、出口温度均为450℃，当锅炉系统排出废弃从烟气出口进入到省煤器后，烟气温度会被进一步降低，并在引风机的作用下将烟气输送到尾部除尘器及脱硫塔系统，实现烟气的脱硫排出。现有装置应用中，锅炉烟气主要污染物如表2所示。

3 CFD应用与脱硝工艺

链条锅炉烟气脱硝改造过程中，设计人员在原有装置的基础上新增SNCR+SCR脱硝工艺，该环节中，炉膛内喷氨分配是改造工艺应用的难点所在。具体而言，烟气在炉膛内高速向上游动，而侧墙喷枪不容易喷射到炉膛内部；对此，设计人员在高速双流体喷枪的基础上，通过CFD流体模拟技术，对喷枪喷射点选择和速度场、温度场、压力场的控制进行优化，实现了脱硝工艺应用质量的提升。

3.1 SNCR喷枪选择

原35T/H链条锅炉并无脱硝装置，该生产模式下锅炉系统的温度窗口较窄、炉膛出口温度较低，并且炉膛内部存在烟气混流、扰流不均的状况。对此，改造工作人员在SNCR喷枪选择中进行了以下两个方面的控制：第一，采用特殊的墙式高速双流体SNCR喷枪；第二，借助CFD流体软件辅助设计，并合理的选择喷射点，提升SNCR喷枪应用质量和设备脱硫效率。

就墙式高速双流体SNCR喷枪而言，使用过程中应注重喷枪喷口初速的严格控制。本项目烟气顺炉膛向上流动，横向扰动较少，并且炉膛截面积一般为4m×8m，烟气在炉膛内流速为9m/s。该环境下，若SNCR喷枪喷口的初速度为30m/s，则喷枪在炉膛内的实际有效范围很有限，不仅制约还原剂和烟气的混合效果，更会对脱硝的效率造成阻碍。有鉴于此，本项目借助CFD软件进行喷枪效果模拟，选用单孔高速柱状双流体喷枪，并设置SNCR喷枪喷口的初速度为80m/s，提升了锅炉烟气的脱硝效率（见图1）。

3.2 脱硝模拟

通过CFD软件进行的锅炉烟气脱硝模拟中，温度分布、流动轨迹模拟、浓度分布是其控制的三个主要方面。

3.2.1 温度分布

锅炉脱硝时，为提升NOx去除效率，设备改造人员在控制锅炉炉内烟气流动的同时，应对烟气的温度进行控制，从而确保烟气和还原剂的高效混合[1]。利用CFD软件进行烟气温度分布模拟，在不考虑燃烧层中存在固相和回料中颗粒的状况下，烟气在锅炉内流动状态如下：

锅炉使用过程中，煤从炉前加入并进入炉膛时需吸收高温烟气的热量加热并析出挥发成分，该阶段不需要通入大量的空气。而从第二个进风口开始，焦炭及挥发成分开始燃烧，此时为保证煤燃烧的充分，设备第3、4、5进风引入了大量的空气，使得炉内温度总体较高。

当一次风从锅炉底部进入后，锅炉内流化床会对一次风进行余热。就利用CFD软件模拟的结果来看，当烟气流量为84676m3/h时，初始温度为160℃，而当煤炭燃烧后，烟气的温度将提高到973℃，此外，炉膛平均出口温度850℃。本次锅炉改造，喷入氨水溶液是烟气除硝的主要方式，喷入溶液前炉内烟气温度保持在850℃～950℃之间。喷入氨水溶液后，锅炉内不同截面处的温度如图2所示。由图可知，在2、3、4风口处，焦煤和会发出处于持续燃烧状态，这使得其温度明显高于第1、6、7风口。

3.2.2 流动轨迹模拟

利用单孔高速柱状双流体喷枪喷入还原剂时，确保还原剂具有良好的流畅度，能够实现烟气与还原剂的高效结合，从而提升烟气脱硝效率和质量[2]。工作人员借助CFD软件对还原剂的流动轨迹进行模拟（见图3）。本次模拟中喷枪设置数目为5支，在计算还原剂喷射流量后可知，在快流速烟道中，为确保炉内喷洒的还原剂具有良好的穿透能力，需确保喷枪具有高的流速。

3.2.3 浓度分布

还原剂的浓度对烟气脱硝有较大影响，锅炉选择性非催化还原脱硝工艺应用中，要提升锅炉系统整体的脱硫工艺效率，还应确保还原剂浓度与烟气排量、温度等要素的耦合。本次脱硝模拟中，锅炉内的浓度分布如图4所示。

在CFD软件模拟图中，空白部分表示不在定义的偏离范围内的区域；而右侧为低浓度，左侧代表高浓度，低浓度部分将引起烟气的不完全反应，高浓度部分会导致氨逃逸[3]。锅炉非催化脱硝还原时，为避免烟气不完全反应和逃逸现象发生，在还原剂喷入过程中应严格控制其喷入浓度，同时确保喷枪位置的合理选择，确保锅炉系统可以在短时间内获得更高的脱硝反应效率。

3.3 脱硝改造工艺

脱硝改造的还原剂采用NH3进行代替。改造工艺应用中，氨水存储及输送、炉前喷射和控制是其工艺应用的三个基本环节[4]。

就氨水存储及输送系统而言，在锅炉脱硝前使用氨水加注泵，将氨水转移到储罐待用。本次脱硝工艺改造，不锈钢是氨水储罐制造的主要材料，氨水储罐的容积需满足锅炉7d内的脱硝用氨需求，氨水浓度为20%。输送时，变频计量泵是氨水输输送的基本支撑，一方面变频计量泵具有较强的调节能力，能够提升设备整体脱硝效率；另一方面计量泵出口的氨水经过喷射系统喷入炉膛合适的位置进行脱硝反应，使得氨逃逸总量较小，确保了脱硝系统应用的可靠性。

炉前喷射是烟气脱硝工艺的重要环节。单孔高速柱状双流体喷枪是炉内安全喷洒的主要工具，并且单过来设置喷枪个数为5支，氨水喷射速度为80m/s。该喷射模式下还原剂与烟气的混合效率得以有效提升，实现了烟气脱硝质量的保证。

本项目SNCR脫硝改造采用独立的控制系统。从控制过程来看，控制装置具有以下应用优势：其一，独立的控制系统能够实现原剂流量的自动控制和调节，实现了控制操作流程的简化。其二，在主控箱启停控制下，SNCR脱硝设备的运行状态得以有效监控，确保了设备现场检修、调试及应急处理的高效运行。

4 改造效果分析

设备改造人员首先对锅炉烟气排放的状况进行分析，然后在CFD技术的支撑下，对选择性非催化还原脱硝工艺改造过程进行全因素模拟，并在SNCR喷枪选择、温度分布、流畅模拟、浓度分布优化后，进行具体改造设备的模拟。从改造结果来看，在选择性非催化还原脱硝装置布置后，锅炉还原剂偏离平均值的范围保持在20%到80%。该状态下，同截面还原剂和烟气有着极好的混合，如果停留时间按照从还原剂完成蒸发直到锅炉出口处计算，大约为500ms，该时间段内锅炉烟气中的NOx可从250/m3降低到100mg/m3；即表明SNCR段脱硝效率能达到65%以上。本项目设计脱硝效率为62.5%，故而装置实际脱硝效果优于设计值，能充分满足企业的需要。

5 结束语

选择性非催化还原脱硝工艺改造对链条锅炉烟气处理和企业绿色生产具有重大影响。脱硝工艺改造中，工作人员对锅炉的SNCR工艺进行系统的分析，然后采用高流速喷枪，确保了高速烟气流速状态下还原剂的穿透能力，保证了还原剂与烟气的高效结合。采用CFD辅助技术选择正确的喷射点，并对脱硝过程进行模拟。通过上述措施，本项目实际改造质量超过了预期设计要求，脱硝效率达到65%，满足了企业脱硝控制要求和绿色生产的需要。

参考文献：

[1]原奇鑫，孙保民.选择性非催化还原烟气脱硝反应影响因素实验分析[J].热力发电，2017，46（4）：52-56.

[2]王巍然，陈会来，王元，等.燃煤锅炉固态还原剂选择性非催化还原法脱硝[J].煤气与热力，2018，38（10）：9-11+45.

[3]尚卫平，宋仁委，周翔，等.合成氨自备锅炉选择性非催化还原脱硝系统运行总结[J].氮肥与合成气，2017，45（7）：1-2.

[4]吴章柱，王澍，王本玲，等.SNCR选择性非催化还原法脱硝技术在重油催化裂化装置的运用[J].石油炼制与化工，2018，49（4）：27-30.