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试验研究660MW燃煤电厂SNCR脱硝数值

2020-05-26 217 上传者：管理员

摘要：研究选择性非催化还原脱硝法（SNCR）在大型燃煤电厂运行的影响因素，使用计算流体力学软件CFD模拟炉内喷入以尿素为还原剂的脱硝过程。模拟结果发现，当锅炉处于满负荷运行时，炉膛顶部满足SCNR脱硝温度窗口的高度为57m以上，因此使用三区、五区、六区的尿素溶液喷枪。随着氨氮比的增加，在脱硝率从25.9%增大到32.2%的同时，烟道出口NH3泄漏量从5μmol/mol增加到46μmol/mol。氨氮比1.0～1.5为最理想的脱硝效果，脱硝率为29.3%，烟道出口NH3泄漏量为11.2μmol/mol。

关键词：
尿素溶液
数值模拟
烟气脱硝
热力工程
选择性非催化还原
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NOx是工程中重点控制排放的污染物，分级燃烧技术、选择性催化还原技术（SCR）、非选择性催化还原技术（SNCR）以及联合脱硝技术是现在大型燃煤电厂控制NOx的主要技术手段[1]。在未来燃煤电厂环保改造的大环境下，SNCR作为一种改造成本低、调节控制简易的技术会有更大的应用空间。SNCR脱硝技术是在温度窗口（900～1100℃），通过脱硝喷枪向炉膛内部喷入还原剂与锅炉内的烟气均匀混合，经过无催化剂的氧化还原反应，脱除烟气中的NOx[2]。因为尿素溶液相比NH3氨污染更轻，且喷射扩散性能更好，电厂SNCR脱硝还原剂使用尿素溶液有更优的效果[3]。一些研究者对中小型锅炉的SNCR脱硝过程进行了数值模拟。本文借助CFD平台，模拟660MW燃煤电厂锅炉在不同的氨氮比情况下SNCR脱硝运行的效果。

1、研究对象与几何建模

对一台超超临界、四角切圆燃烧锅炉进行建模，炉宽、炉深、炉高分别为为20.336m、19.230m、70.151m。本文的模拟计算先进行了脱硝前的满负荷燃烧计算和NOx计算，再对炉膛上部的SNCR反应进行脱硝计算。为了减少模拟整体的计算量，对炉膛顶部内换热器部分进行适当简化。SNCR反应区计算域的结构如图1所示。图1给出了8片分隔屏式过热器、43片末级过热器的位置和各层脱硝喷枪的高度。

图1SNCR反应区计算域结构图

如图1所示，炉膛顶部有6个尿素溶液喷射区，尿素溶液通过脱硝喷枪在不同高度位置向炉内垂直喷射与炉膛内烟气结合。第1层在前墙51.20m高度处布置6支脱硝喷枪，其余3墙各布置4支脱硝喷枪；第2层和第3层分别在前墙57.00m和61.81m高度处设置了6支脱硝喷枪；第4、5、6层脱硝喷枪嵌在分隔屏式过热器与屏式过热器之间，在两侧墙均布置了脱硝喷枪，高度分别为58.25m、62.30m、66.05m，第4层、5层、6层喷枪距前墙15m。

模拟边界条件根据锅炉实际运行参数设定，计算模型进口一次风、二次风速度分别为33m/s、60m/s，温度分别为348K、606K。煤粉的平均直径为25μm，分布指数为1.15，温度为525K，满负荷锅炉进煤74.4kg/s。分隔屏式过热器的换热温度为740K，末级过热器的换热温度为780K。通过脱硝喷枪喷入的雾化尿素溶液与炉膛内烟气的均匀混合效果决定了SNCR的脱硝效率，所以提高均匀混合程度可以带来良好的还原剂雾化性能。还原剂雾化质量指标包括：a)合适的液滴粒径，液滴粒径过大不易与烟气均匀混合，过小难以深入炉膛深部反应区；b)覆盖SNCR反应区的雾化角，雾化角过大不利于还原剂聚集在理想的SNCR反应区。根据尿素溶液喷枪参数与特性，确定脱硝喷枪喷出的液滴粒径由Rosin-Rammler分布控制，液滴粒径范围为60～120μm，分布指数为1.15，粒径分组数为10，平均粒径为100μm，脱硝喷枪喷射速度参数为30m/s。各层喷枪的流量根据尿素溶液与NOx的氨氮比调节。

锅炉顶部有非常多的过热器屏、再热器屏进行烟气换热，若全部划分，网格数会较多，对计算机的要求较高。因此本文将过热器、再热器管群简化为一定厚度的屏，并且适当减少屏的数量，这样网格数会相应减少。将锅炉几何体划分为不同几何区，对炉膛顶部SNCR反应区的网格加密，使用标准六面体网格进行网格划分，总网格数为1.56×106。网格划分情况如图2所示。

图2网格划分图

2、SNCR模拟数学模型

烟气脱硝SNCR反应可以看作涉及热辐射的湍动流反应系统，包含流体传热、尿素热解挥发、液体气体两相流、动力化学反应。

煤粉、烟气、液滴的湍流流动使用离散相来处理[4]。对于实际情况，煤粉和溶液在大空间炉膛内的运动轨道是可以看作随机分布的，炉内离散相用粒子拉格朗日随机轨道模型来模拟。煤粉燃烧锅炉内，炉膛辐射传热量占炉膛传热量的95%以上，模拟采用p1辐射模型。考虑需要模拟射流撞击、旋流等复杂混合流动，湍流方程模型采用RNG%k-ε双方程模型[5]。使用湍流漩涡耗散概念模型（EDC）来模拟尿素溶液与烟气的综合脱硝化学反应，EDC模型将详细的化学反应机理纳入湍流反应流中，模型认为化学反应发生在不连续的湍流能量耗散区域中。

EDC模型引入良好尺度[6]，模型假定反应发生在小的湍流结构中，此结构称为良好尺度，良好尺度的容积比率ξ*的计算公式为：

公式1

式(1)中，ξ*为容积比率，无量纲；Cξ为容积比率常数，取2.1377；ν为运动黏度，m2/s；ε为湍流动能耗散率，m2/s3;k为湍流动能，m2/s2。

该模型认为在良好尺度范围内，化学反应在流体反应区滞留时间τ*之后进行。计算式如下：

公式2

式(2)中：Cτ为时间尺度常数，取0.4072。

化学反应速率由Arrhenius方程[7]控制，反应速率常数kf,r由公式(3)得到：

公式3

式(3)中：Ar为指数前因子，cm3/(mol·s);T为热力学温度，K；βr为温度指数，取5.30;Er为反应活化能，J/mol;R为气体常数，J/(mol·K)。

将尿素和水配置为质量比为1∶9的尿素溶液作为还原剂，用喷枪雾化均匀喷入炉膛内部，经过高温下水的蒸发、尿素热分解、HNCO水解和NH3生成，然后NH3再还原NOx，一部分NH3在过量O2条件下在被氧化成NO[8]，对于溶液中的尿素采用式(4)的热分解反应公式[9]。

公式4

由于SNCR反应区的温度远高于尿素热分解的温度600K，因此在尿素溶液喷入炉膛后，假定尿素瞬间完全分解为NH3。对于尿素溶液热解生成的NH3参与NOx的氧化还原反应，模型使用Ostberg和Dam-Johansen建立的两步反应模型[10]，反应区的温度超过SNCR的理想反应温度时，NH3被氧化为NO的反应(6)速率比反应(5)速率更高；反应区的温度在SNCR温度窗口内，NO被NH3还原成N2的反应(5)速率比反应(6)速率更高。

公式5

公式6

本文采用简化还原反应的动力学参数，根据文献[9]：反应(5)中Ar=4.240E+08cm3/(mol·s)，βr=5.30,Er=349937.06J/mol；反应(6)中Ar=3.500E+05cm3/(mol·s),rβr=7.65,Er=524487.005J/mol。

3、计算结果分析

3.1炉内温度的分布

炉膛在57.00m以下温度基本超出SNCR脱硝的理想温度窗口，在1600K以上，因此在锅炉满负荷运行情况下，一区、二区和四区的脱硝喷枪需退出使用；而三区、五区、六区尿素溶液喷枪高度区域的炉膛温度在1200～1400K之间，在SNCR的温度窗口内；六区喷枪附近区域温度接近1200K，存在氧化还原反应，但是SNCR反应速度偏慢，会有部分NH3漏失。根据模拟结果控制脱硝喷枪投用，高度为61.81m的三区脱硝喷枪喷入总量40%的还原剂，高度为62.30m的五区脱硝喷枪喷入总量45%的尿素溶液，高度为66.05m的六区脱硝喷枪喷入总量15%的尿素溶液。

在锅炉满负荷运行工况下，向炉膛喷入不同流量的尿素溶液，模拟氨氮比为1、1.5、2、2.54种情况下的SNCR脱硝效果。

图3炉膛中心截面温度分布图

3.2炉内NO的分布

图4a)～d)所示为氨氮比分别为1、1.5、2、2.5时的NO纵截面分布情况。从图4中可以看出，由于大型燃煤锅炉尺寸更大，尿素溶液无法深入炉膛中心区域与烟气混合，因此脱硝效果很差，NOx浓度基本不变，而大部分脱硝反应发生在尿素溶液雾化区域4m内，表明SNCR反应温度窗口和炉膛内的湍流流动是脱硝效果的重要影响因素。同时从图4中可以看出，烟气通过屏式过热器后，由于温度降低，基本不发生脱硝反应，NO浓度变化较小。计算发现，在氨氮比增加的情况下，脱硝反应速率更高，更多的NO被还原成N2，但同时脱硝效率提升得更慢，NH3的漏失量增加。根据氧化还原化学过程分析，由于氧化还原反应速率的限制，尿素热解生成的NH3增加到一定值达到饱和，因此脱硝效率的变化更趋于稳定。

图4不同氨氮比下NO纵截面分布图

计算得到在锅炉最大负荷运行条件下，氨氮比为1、1.5、2、2.5时，SNCR脱硝效率分别为25.9%、29.3%、31.2%、32.2%,NH3漏失量分别为5μmol/mol、11.2μmol/mol、26.5μmol/mol、46.1μmol/mol。由此可以得知氨氮比在1～2范围增加时，NH3将NO还原为N2为主要反应，更多的NH3参与炉膛内的脱硝反应，使脱硝效率明显提高，漏氨量变化较小；而当氨氮比超过2时，还原剂饱和，竞争反应NH3被氧化为NO的速度加快，因此脱硝率提升变慢，漏氨量增加的情况与工程实际情况基本吻合。根据该锅炉SNCR反应模拟结果，将还原剂和NOx的氨氮比控制在1.5左右可以达到较理想的脱硝效果。

4、结语

为了提高脱硝效率，控制NH3污染，大型燃煤电厂需要根据不同负荷下的炉膛内部温度场分布情况来协调控制不同高度位置的脱硝喷枪投入使用，并选择最合适的氨氮比调节尿素溶液的流量。锅炉满负荷工况下，低于57m的炉膛内部温度超过SNCR反应窗口，因此投入三区、五区、六区的喷枪，氨氮比控制在1.5左右可以达到更理想的SNCR脱硝效果，在漏氨量为11.2μmol/mol满足工业漏氨控制要求的同时，脱硝率可以达到29.3%。

参考文献：

[1]王钟,王颖.火电厂烟气脱硝技术探讨[J].吉林电力,2005,181(6):1-5.

[2]毕玉森,陈国辉.控制电厂锅炉NOx排放的对策和建议[J].中国电力,2004(6):37-41.

[6]张顺利,郑洪涛,穆勇.EDC模型在三维燃烧流场数值模拟的应用[J].应用科技,2005,32(4):48-52.

[9]陈晓利.脱硫塔内喷雾蒸发和脱硫特性的数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

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程智海,时光辉,赵玉伟,刘海龙.660MW燃煤电厂SNCR脱硝数值模拟[J].能源与节能,2020(05):66-69.