燃煤锅炉SNCR脱硝过程数值模拟研究

燃煤锅炉SNCR脱硝过程数值模拟研究
姜少军
【摘要】基于Fluent软件对670 t/h燃煤锅炉中选择性非催化还原(SNCR)过程进行数值模拟研究.计算结果证明利用这种方法预测锅炉炉膛中大空间、复杂温度场、流场的氮氧化物生成、还原过程的可行性.模拟结果表明喷射截面应该取在平均温度位于SNCR“温度窗口”的中心位置,为了达到更加理想的脱销效果还应充分考虑喷射方向和炉内温度场、流场的的关系,以使还原剂与烟气充分混合和延长其在炉内的停留时间.
【期刊名称】《应用能源技术》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】4页(P24-27)
【关键词】数值模拟;电站锅炉;选择性非催化还原(SNCR)
【作者】姜少军
【作者单位】绥芬河特种设备检验研究所,黑龙江绥芬河157300
【正文语种】中文
【中图分类】TK224.9
0 引言
我国的特殊能源结构和近些年我国工业的快速发展，导致大气污染状况也越来越严重。

燃煤锅炉的排放是造成大气污染的主要原因之一，其中氮氧化物(NOx)不仅是
有毒气体，又能形成酸雨、光化学烟雾、破坏臭氧层等［1］。

随着人们的环保意识的提高，社会经济的发展，有效控制燃煤造成的大气污染已经刻不容缓，特别是控制燃煤过程中的氮氧化物排放，脱硝技术显得相当重要。

现在比较成熟的脱硝技术有:空气分级燃烧、再燃、选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)等［2-3］。

其中，选择性非催化还原(SNCR)技术因投资成本低、建设周期短、易于现有机组锅炉改造而倍受青睐［4-5］。

选择性非催化还原(SNCR)脱除NOx技术是把含有NHx基的还原剂(如氨气、氨水或者尿素等)喷入
炉膛温度为800～1100℃的区域，该还原剂迅速热分解成NH3和其它副产物，
随后NH3与烟气中的NOx进行SNCR反应而生成N2。

现在已有超过300台锅
炉采用SNCR技术脱出烟气中的氮氧化物，并取得了很好的环境效益和经济效益。

为了简化计算，在进行SNCR过程数值模拟之前，已经对锅炉的空气分级燃烧过
程进行了数值模拟，以燃烧过程的模拟结果作为SNCR的入口边界条件。

1 研究对象和网格划分
本文研究对象为某电厂的HG-670/140-11锅炉，锅炉呈Π型布置，超高压、中
间再热、自然循环，采用单段蒸发，大口径集中下水管，固态排渣，配有钢球磨煤机中间储仓干燥剂送粉系统，配用DTM350/700型钢球磨煤机两台。

炉膛高度为41.1 m，横截面尺寸为11.66 ×11.66 m。

根据炉膛燃烧计算的结果，SNCR脱硝的温度窗位于炉膛空间燃尽区上方至炉膛出口之间，针对SNCR脱硝过程，取炉膛高27.023 m以上的区域进行计算，入口
来流条件由燃烧过程的模拟结果来提供。

图1为整个计算区域的示意图。

图1 计算区域结构简图
炉内SNCR脱硝还原剂喷射位置分为4个区，其中1区为位于前墙且与前墙垂直
的墙式喷枪，高度范围为34～36 m。

2区、3区、4区为伸入炉膛的水冷长喷枪，每个区域在两侧墙各安装一支可上下摆动的长喷枪，每支长喷枪长约5.83 m。

2
区长喷枪位于距前墙2.75m的前屏中间缝隙，3区长喷枪布置在距前墙4.5 m处，4区长喷枪则为距前墙5.5 m处。

SNCR的研究中考虑了氨气、尿素、异氰酸等多种还原介质，大多数的实验室研究结果均表明还原温度在850～1 175℃之间，最高可获得90%以上的。

脱硝率由于氨水具有极强的腐蚀性、运输和储存都存在安全隐患、有毒等原因，因此本课题SCNR过程采用尿素作为还原剂。

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，网格划分较密，网格总数约为81万。

网格示意图如图2所示。

图2 网格划分俯视图
将燃烧过程计算得到的高度为27.023 m的水平截面的温度分布、速度矢量分布、烟气成分分布等分别导入，作为SNCR脱硝过程计算的入口边界条件。

为了简化
计算，忽略烟气中存在的一些微量气体组分和飞灰颗粒，烟气组分主要考虑N2、CO2、H2O、NO 等。

在热边界条件中指定壁面温度，与燃烧过程相同。

假定还
原剂溶液以小液滴的形式喷入炉膛内。

2 SNCR脱硝模拟的数学模型
SNCR脱硝过程的模拟主要涉及湍流模型、两相流动模型、辐射传热模型和化学反应模型等。

计算中气相湍流模型采用可实现的k-ε双方程模型，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，湍流中SNCR化学反
应的计算采用漩涡耗散概念模型(EDC)［6-8］。

3 SNCR脱硝过程的模拟
图3为炉膛上部SNCR脱硝区域水平截面的温度分布示意图，图中锅炉前墙位于
x=0的截面。

从图3(a)中可以看出，该截面的大部分区域温度在1 400 K以上，
要高于SNCR的温度窗口，说明满负荷条件下，此截面处不宜设置还原剂喷枪。

图3(b)中靠近前墙及前后屏中间区域的温度均有1500 K，不能作为SNCR的反应
区域;而在后屏区域，靠近左侧墙温度较高，右侧墙附近温度水平较低，最高仅为900 K，该温度下SNCR反应动力学速率非常低，若在此区域喷射还原剂，会引起大量的氨漏失。

图3(c)中的34 m高水平截面温度最高为1440K，后屏区域的温
度在1300K左右，因此，在该水平截面附近，合理的布置喷枪位置和喷射方向，
可以取得一定的脱硝效果。

在38 m水平截面图3(d)，温度比较均匀，约为
1250K，在SNCR反应的温度窗口内，合理的布置喷枪可以作为SNCR的反应区域。

从图3中可以看出炉膛中炉膛中心位置的温度较高，有中心向四周梯度递减，为
了合适的温度窗口内喷射尿素，喷枪的布置尽量迎合炉内温度场的变化。

这样能够有效避免喷射到高温区的还原剂被氧化，和喷射到低温区的还原剂未参加反应逃逸而引起的污染问题。

根据以上对炉膛内部温度的分析，锅炉100%负荷运行时投用1区、3区、4区的还原剂喷枪。

氨氮摩尔比取为1.1，根据总的烟气流量可以计算出需要喷入炉内的还原剂总量。

各喷口的还原剂喷射量采用均等分配。

图4给出了炉膛水平截面上NH3的浓度分布。

在高为34.2 m的截面上，由于1
区靠近右侧墙的墙式喷枪和3区、4区两侧长喷枪的作用，在前墙且靠近右侧墙部分区域，以及靠近右侧墙的前屏部分，具有较多的NH3，而在左侧墙前后屏中间
区域，局部 NH3浓度可高达550 ppm。

在35.2 m截面附近，靠近右侧墙部分NH3浓度已降低很多，靠近左侧墙区域富集NH3较多。

在高36.3 m的截面上，1区的靠近左侧墙的墙式喷枪喷射的还原剂在此截面聚集，NH3覆盖了大部分区域。

由于炉膛横截面积较大，炉膛中心位置和靠近炉墙的位置的烟气流速相差很大，在炉膛中心位置尿素溶液的停留时间非常短，并没有充分的反应［9］。

所以为了延长炉膛中心位置尿素的停留时间，应该选择在温度稍高的位置喷射尿素溶液，为
了达到充分混合的目的应该注意喷射角和流场的关系，同时也要考虑喷射角和温度场的平行关系［10］。

图5给出了各水平截面脱硝前和脱硝后的NO浓度分布对比。

在高34.2m水平截面上，前后屏中间且靠近左侧墙区域，具有明显的NOx脱除现象，此处的NO浓度由110 ppm降至30 ppm;而在该截面的其他位置则无明显的脱硝反应发生。

在高35.2 m的截面上，同样是在前后屏中间贴近左侧墙的位置有脱硝现象产生，其他区域均无明显的脱硝现象。

在高36.3 m的截面上，在整个截面上均无明显的脱硝反应发生。

因为图中给出的截面是水平截面，喷枪的布置和温度场有关，所以单从水平截面不能全面的反应炉内脱硝的情况。

图5 各水平截面NO浓度分布(ppm)建议一行放两张图
可见，炉内的温度分布不均，以及脱硝空间的限制，给还原剂喷枪的布置带来困难，NH3不能充分与NO发生还原反应，导致NH3或被氧化或直接漏失。

4 结束语
通过Fluent软件，对200 MW燃煤锅炉SNCR脱硝过程进行数值模拟，对实际
的工程应用中不同负荷下SNCR脱硝系统的性能进行初步的考察。

主要得到以下
结论:
(1)Fluent软件对SNCR过程的数值模拟结果，能够反应真实的反应规律。

并且能够提供详细的数据。

有助于对反应速率、反应程度进行定量和定性分析。

(2)炉膛空间尺寸较大，炉内温度分布不均，温度梯度较大。

在实际应用中应该选
择温度稍高的位置喷射还原剂，为了使尿素与烟气充分混合应该注意喷射方向和流场的关系。

(3)锅炉运行的时候，炉内的温度场的等势面往往不是水平的，所以喷射尿素的时
候要注意喷射方向与温度场的关系，一般选择平行于等温面为最佳喷射方向。

参考文献
【相关文献】
［1］何庆华，朱跃，潘志强，等.低 NOx燃烧技术综述［J］.锅炉制造，2000(4)：34-38. ［2］李晓芸，蔡小峰.混合SNCR-SCR烟气脱硝工艺及其应用［J］.华电技术，2008，30(3)：22-25.。