1 引言

    最新《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223—2011)要求，循環(huán)流化床(CFB)鍋爐NO_x排放量應低于200mg/m³(6%O₂)，CFB機組具有低NO_x排放的優(yōu)勢，絕大部分CFB機組NO_x排放量在150~350mg/m³，由于CFB鍋爐在正常的運行過程中，爐膛溫度范圍為850～1000℃，正好處于SNCR法脫硝的合理反應溫度范圍，其次，CFB鍋爐爐內(nèi)溫度場和流場隨鍋爐負荷的改變而產(chǎn)生的變化較煤粉爐小，噴槍位置易于選擇，故CFB鍋爐較煤粉爐更加適合SNCR煙氣脫硝技術(shù)。

    CFB鍋爐的SNCR系統(tǒng)脫硝效率可達50%～70%，基本可以滿足標準中“一般地區(qū)的排放限值為200mg/m³，重點地區(qū)的排放限值為100mg/m³。”的環(huán)保要求。噴槍的布置方式及數(shù)量選擇是CFB鍋爐SNCR技術(shù)的核心，對于CFB鍋爐，SNCR噴槍通常布置在旋風分離器入口煙道，本文利用ANSYS Fluent軟件，以某蒸發(fā)量450t/h的CFB鍋爐旋風分離器為模型，探討了噴槍位置及數(shù)量對還原劑濃度分布的影響，研究結(jié)果可為CFB鍋爐SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供相應指導。

2 模型的建立

    SNCR煙氣脫硝模型選取DG450/9.81-1型循環(huán)流化床鍋爐，使用尿素為還原劑。爐膛出口煙溫760～890℃，濕煙氣量(標態(tài)、濕基、實際O₂)514436Nm³/h，氮氧化物出口濃度102-176mg/Nm³（標態(tài)、干基、6%O₂）�？紤]到還原劑與煙氣的混合情況是SNCR技術(shù)的關(guān)鍵點和主要制約因素，采用計算流體動力學（CFD）數(shù)值模擬方法，對SNCR關(guān)鍵過程進行數(shù)值模擬，了解相關(guān)因素對還原劑與煙氣混合情況的影響，以實現(xiàn)良好的混合效果。

2.1計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

    在CFB鍋爐旋風分離器內(nèi)部，其流動程度比較劇烈，同時具有SNCR反應發(fā)生的合適溫度（溫度窗口850℃~1150℃）和較長的停留時間（0.5s），因此在通常情況下，SNCR還原劑噴入位置位于CFB鍋爐旋風分離器進口水平煙道處。本項目的計算區(qū)域即選擇為鍋爐旋風分離器。下圖所示為計算區(qū)域及其網(wǎng)格劃分情況：

圖1 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

2.2模型建立

2.2.1模型假設(shè)

1）在旋風筒內(nèi)僅計算單相穩(wěn)態(tài)流場，不考慮顆粒對分離器內(nèi)部流動的影響；

2）假定煙氣主要組分為N₂、NO、O₂、CO₂和H₂O，具體份額由招標文件給定；

3）還原劑的主要組分是尿素CO(NH₂)₂，液滴的蒸發(fā)過程通過DPM模型設(shè)置。

2.2.2輸運方程

    采用Reynolds時均法在歐拉坐標系下對各組分建立輸運方程，包括：

公式1 質(zhì)量守恒方程

公式2 動量守恒方程

公式3 組分守恒方程

公式4 溫度形式的能量守恒方程

    采用Realizable k-ε雙方程模型求解湍流過程，采用P1模型計算旋風筒內(nèi)的輻射特性。采用Lagrangian方法求解示蹤顆粒的運動軌跡，以及隨機軌道法求解顆粒運動和湍流脈動的相互作用。

2.2.3計算方法及邊界條件設(shè)置

    選擇二階迎風格式進行離散，使用壓力修正算法和隱式差分方法對控制方程進行求解。

    分離器入口采用速度入口邊界條件，速度為20m•s^-1，煙氣溫度為900℃；分離器出口采用壓力出口邊界條件；由于實際過程中氣體基本不從分離器底部出口流出，將其按壁面條件處理；壁面邊界條件設(shè)置為絕熱壁面。設(shè)置尿素噴入溫度為300K。分離器入口煙氣的NO濃度均為250mg•m^-3。

3 噴槍位置及數(shù)量對還原劑濃度分布的影響

    噴槍的布置位置及數(shù)量是影響SNCR還原劑與煙氣混合情況的關(guān)鍵因素。本文通過考察分離器內(nèi)部還原劑的混合情況，研究噴槍位置方式和數(shù)量的影響。

3.1噴槍布置方式的影響

    結(jié)合工程經(jīng)驗及項目實際情況，選擇旋風分離器水平進口段進行豎向布置。選取了兩種布置方式進行比較，分別為進口段外側(cè)布置和進口段內(nèi)側(cè)布置，噴槍個數(shù)均為3個，噴槍布置示意圖如下所示：

圖2 噴槍位置示意圖

    兩種布置方式下，還原劑分布情況的模擬結(jié)果如下圖所示：

圖3 噴槍不同位置模擬結(jié)果

    從上圖可以看出，噴槍位置對還原劑在分離器內(nèi)部的分布有明顯的影響。噴槍布置在分離器水平進口段外側(cè)時，還原劑先沿旋風筒外壁隨煙氣向下旋流至分離器下部收縮段，隨后向上流入分離器中心筒，離開分離器，還原劑在收縮段的分布較為集中。此時，由于還原劑在分離器內(nèi)部的流動時間過長，極易被氧化為N₂甚至NO_x，會造成還原劑的損失，影響脫硝效果。噴槍布置在分離器水平進口段內(nèi)測時，還原劑進入旋風筒后，隨即跟隨煙氣進入分離器中心筒，離開分離器，還原劑集中于分離器上部中心筒附近。此時，還原劑在分離器內(nèi)部的流動時間過短，還原劑與煙氣中NO_x來不及充分反應，即流出分離器，無法滿足脫硝效率的要求，同時造成較高的氨逃逸量。

    綜合以上分析結(jié)果，在分離器水平進口段單側(cè)進行噴槍布置，并不是非常合適的選擇。結(jié)合單側(cè)布置的特點，在水平進口段兩側(cè)進行噴槍布置是一種較為合適的方案。

    兩側(cè)布置的方案主要有兩種情況，一是兩側(cè)相對應的噴槍均位于同一高度平行布置，二是對應噴槍交錯布置。兩種噴槍布置示意圖如下所示：

圖4 噴槍位置示意圖

    不同噴槍布置方式下，還原劑的分布情況如下圖所示：

圖5 還原劑分布情況

    從上圖可以看出，在噴槍平行和交錯布置方式下，還原劑的分布情況大體一致，與單側(cè)（內(nèi)、外）布置方式相比，兩側(cè)布置下還原劑的分布較為均勻，是較為合理的布置方式。相對于平行布置，交錯布置方式下的還原劑分布更加均勻，可以認為是一種更優(yōu)化、更高效的布置方式。

3.2噴槍數(shù)量的影響

    除了噴槍的布置方式，噴槍數(shù)量也會影響還原劑的分布情況。在每臺鍋爐有兩臺旋風分離器的條件下，分離器水平進口段每側(cè)至少布置三支噴槍。在交錯布置的情況下，分別選擇了每側(cè)3支和每側(cè)4支噴槍來進行比較。下圖所示為不同噴槍數(shù)量下，還原劑在分離器內(nèi)部的分布情況：

圖6 還原劑分布情況

    從上圖可以看出，每側(cè)噴槍數(shù)量的多少直接影響還原劑在分離器內(nèi)的分布情況。每側(cè)3支噴槍，其在分離器下部收縮段的還原劑分布較少，而每側(cè)4支噴槍時，在這一區(qū)域的還原劑分布較多。還原劑在分離器下部收縮段分布較多時，可能會造成還原劑被氧化為NO_x，影響脫硝效果。

    如果過多的增加還原劑噴槍的數(shù)量，可能會導致單支噴槍的噴射動量不足，還原劑溶液無法噴入較深的位置，無法達到設(shè)計要求的覆蓋范圍，因此不能一味的增加還原劑噴槍的數(shù)量，要將覆蓋面積和噴射深度統(tǒng)籌考慮，以達到最佳的脫硝效果。

4 主要結(jié)論

    本文采用CFD流場模擬方法探討了CFB鍋爐SNCR還原劑分布的關(guān)鍵因素，通過在旋風分離器入口煙道設(shè)置噴槍，考察了分離器內(nèi)部還原劑的混合情況，研究了噴槍布置方式和數(shù)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)：

    噴槍位置對還原劑在分離器內(nèi)部的分布有明顯的影響，噴槍在分離器入口煙道水平段雙側(cè)布置時，還原劑分布均勻性好于單側(cè)布置，且雙側(cè)交錯布置優(yōu)于雙側(cè)平行布置。

    噴槍數(shù)量對于還原劑在分離器內(nèi)的分布情況也有明顯影響，表現(xiàn)在當分離器入口煙道每側(cè)布置4支噴槍時，相比3支噴槍條件下分離器下部的還原劑濃度明顯增加，分離器內(nèi)部還原劑分布均勻性大大提高。

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本文標題：CFB鍋爐SNCR脫硝技術(shù)數(shù)值模擬研究

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