在燃煤锅炉和垃圾焚烧锅炉的燃烧产物中,氮氧化物(NOx)是危害严重的大气污染物｡2011年发布的《火电厂大气污染物排放标准》中规定燃煤锅炉NOx的排放浓度限值为100mg/m3,而现有燃煤锅炉的NOx排放值大约在600~1200mg/m3｡
虽然可以通过低NOx燃烧方式来降低其排放,但仍无法达到日益严格的环保要求,因此,烟气脱硝作为降低NOx排放的最后一个环节,其作用不言而喻｡目前,工程中常用的脱除烟气中NOx的方法包括SCR(选择性催化还原)和SNCR(选择性无催化还原)2种形式,相对于SCR技术,SNCR技术的建设周期短,投资和运行成本低｡
研究结果表明,在温度为850~1100℃条下,SNCR的脱硝效率可高达90%｡但目前运行的SNCR装置中,脱硝效率一般低于50%,其中重要的原因是还原剂与NOx混合不理想｡因此,通过数值模拟的方法,预测还原剂在高温炉膛内的混合情况对SNCR的实际应用有非常重要的意义｡
在SNCR工艺中,NOx的脱除率由多种因素决定,主要包括:反应温度､停留时间､还原剂与烟气的混合程度､还原剂与NOx的摩尔比､NOx初始体积浓度､氧浓度､添加剂的影响等｡
NOx的产生及脱除模型极其复杂,包括众多假设及简化｡其中NOx根据产生机理可分为热力型､燃料型及快速型｡热力型NOx的产生基于Zeldov-ich原理;燃料型NOx是由燃料中的氮裂解成HCN等中间产物,再被氧化成NO｡但在热力型NOx和燃料型NOx的生成过程中,温度､氧浓度､停留时间等均会影响NO的生成｡
此外,添加再燃燃料也会影响NOx的生成以及SNCR反应过程｡而NOx与还原剂的反应涉及到207个基元反应,如此众多的方程给数值计算带来了极大的困难,因此需要对其进行简化｡李维成等对SNCR过程的反应进行简化,最终得到12个组分8步总包反应的简化机理,Nguyen等提出简化的7步反应模型,卢志民则对几种反应机理进行对比,并进行敏感性分析,研究各模型预测的准确性,李穹等采用简化的SNCR反应机理研究了温度､氨氮摩尔比等对SNCR脱硝效率的影响｡
而NOx与还原剂的反应能否顺利进行与还原剂和烟气的混合程度､停留时间､相变过程以及反应物的浓度有着直接关系,因此,仅从化学反应动力学角度进行研究还不足以准确预测SNCR过程NOx的脱除程度｡Liang等采用实验手段对SNCR过程中的混合过程及停留时间等进行了研究｡
为了进一步优化SNCR工艺中还原剂的喷射方案,从而强化还原剂与烟气的混合效果,本文采用数值模拟方法研究SNCR过程中还原剂喷雾､混合和扩散问题,通过计算还原剂的覆盖面积,并考虑氨氮摩尔比估算其脱硝效率;重点研究喷雾过程的影响,得到喷雾粒径､喷雾量､蒸发时间､喷雾距离等对SNCR过程的影响｡
1、模型描述及研究方法
1.1研究模型
选择性无催化还原脱硝技术是在没有催化剂的条件下,利用还原剂将烟气中的NOx还原为无害的N2和H2O的过程｡由于需要研究液滴在高温烟气中的相变及扩散过程,必须考虑气液两相(高温烟气与还原剂液滴)的耦合作用｡
在SNCR过程中,实际喷射的还原剂溶液一般为稀溶液(浓度为5%~7%),因此,可用水蒸汽的浓度分布近似表征还原剂的浓度分布｡喷雾量与烟气量相比非常稀薄,可采用Fluent软件中的离散相模型,烟气为连续相,在炉膛内自下向上流动｡还原剂的水溶液为第二相,还原剂以液滴的形式喷入炉膛与烟气混合､换热,并逐渐蒸发和扩散｡
由于本文不考虑SNCR过程的化学反应,故选用无化学反应的组分输运模型(speciestransportmodel),考虑液滴的传热方程､蒸发与沸腾方程,忽略热泳力､saffman升力､布朗力,以及粒子辐射力｡由于炉膛中烟气温度较高,需要考虑辐射传热,根据光学深度(αL)选择颗粒的辐射模型(P1)｡
本课题研究烟气的脱硝效率,不研究NOx的产生过程,因此,按照烟气分析仪测得的烟气成分将烟气中的NOx折算成NO｡由于研究过程不包括燃烧过程,建模时可省略布风板以下部分,认为炉膛内流体为均匀的烟气混合物｡
前已提及,SNCR的窗口温度为850~1100℃,因此,需将其喷入炉膛内合适的温度处,而省煤器､空预器处温度已不适合SNCR反应,为简化模型,只考虑旋风分离器以前的部分｡根据上述简化建立的计算模型见图1｡网格划分原则上需兼顾计算精度及计算时间,通过在重点研究的位置加密网格(喷雾位置),最终划分网格数863280个｡
1.2边界条件
根据锅炉运行工况,设定壁面为绝热,入口类型为质量入口,烟气的质量流量为71.83kg/s,温度为905℃｡出口类型为压力出口｡根据选用的喷枪型号,确定离散相液滴喷水量､液滴喷射速度､液滴雾化粒径等几个参数｡其中,液滴由锥形喷枪喷入流场,喷嘴雾化角为30°,单个喷嘴喷水量为0.0278kg/s,假设液滴粒径符合Rosin-Rammler分布,液滴粒径范围为20~100μm､20~150μm和20~200μm3种规格,中径为59μm,液滴粒径分布指数为3.5｡
2、CFD模型模拟结果
对循环硫化床锅炉而言,最适合喷入还原剂的位置是在旋风分离器入口处,此处温度处于SNCR的窗口温度范围内,并且由于面积狭小,有利于还原剂的完全覆盖,可提高脱硝反应效率｡如图2所示,在该位置高度方向对称布置5层喷嘴｡
2.1粒径对液滴雾炬的影响
由于旋风分离器入口为切向进气方式,而切向进气包括内旋和外旋2种方式(见图3)｡对配置2个对称旋风分离器的锅炉而言,由于操作空间限制,从外侧喷射还原剂是比较理想的选择｡
从外侧喷射时,对外旋分离器而言,喷射方向与气流方向一致(称为顺喷),有利于液滴扩散;而对内旋分离器而言,喷射方向与气流方向相反(称为逆喷),喷射雾滴需克服气流方能继续向前扩散,分别对顺喷和逆喷时粒径的影响进行了研究｡图4为不同粒径､不同喷射情况下液滴轨迹与停留时间关系｡由图4
(a)和(b)可知,当液滴粒径为20~200μm时,顺喷时液滴在气流的带动下,很容易喷到对侧壁面,而逆喷时则喷到壁面较少｡但仍有部分喷到对侧壁面,发生湿壁现象｡由图4(c)可知,液滴粒径为20~100μm时,无论顺喷还是逆喷,其喷射距离都比较短,甚至不到通道宽度的1/2(只给出了逆喷,顺喷结果也相差不多),这势必会影响还原剂的覆盖面积｡
而从图4(d)给出的液滴粒径范围在20~150μm时的液滴轨迹可以看出,此时液滴轨迹刚好覆盖整个烟气通道,并且基本不与壁面接触,而蒸发时间也较符合烟气脱硝过程对蒸发时间的要求｡因此,后文的研究中采用液滴粒径范围20~150μm､逆喷形式｡当然,粒径范围与分离器结构以及气流速度等有关,改变工况其粒径范围也需作相应改变｡
2.2液滴喷射参数
图5分别为液滴停留时间､粒径､表面温度及还原剂浓度与喷射距离的关系曲线｡由图5(a)可知,停留时间与喷射距离基本呈线性关系,喷射距离越长的液滴停留时间也越长;根据图5(b),随着喷射距离的增加,所有液滴粒径均逐渐减小｡
当喷射距离达到3.75m时,所有的液滴蒸发完毕;而从图5(c)可以看出,在炉膛高温的影响下,液滴表面的平均温度逐渐上升到沸点温度,然后开始蒸发,达到稳定状态下,液滴温度基本维持在沸点温度(100℃),直至蒸发完毕;根据图5(d),还原剂在烟气中的局部浓度有一个先上升后急剧下降的趋势,其原因在于:在射流的中心区域,液滴的数目较大,并且此时已有部分液滴完全蒸发和扩散;在液滴喷射的起始区域,液滴还未完全蒸发和扩散,因此,烟气中还原剂的浓度还较低;在射流末端的液滴颗粒较少｡
2.3炉膛内不同截面还原剂浓度和温度分布
脱硝过程通常使用的还原剂包括液氨､氨水和尿素,与前两者相比,尿素使用过程的安全性容易保证｡用尿素作为还原剂时,总包反应为:
由公式(2)可知,理论的氨氮摩尔比为1,而根据公式(1),尿素与氨的比例为1∶2,所以还原剂尿素与NO的摩尔比为1∶2｡
定义:NSR=还原剂与入口NOx的实际摩尔比/还原剂与入口NOx的化学计量摩尔比｡
尽管从理论上来讲,提高NSR有利于提高SNCR工艺的脱硝效率,但过高的氨氮摩尔比会导致较大氨逃逸率｡而相关研究表明,当NSR达到1.5时,相应的脱硝率可以达到90%｡因此,建议根据实际的烟气量和NOx浓度调整还原剂的喷射量｡将NSR为1.5~2的区域控制在50%~60%范围内,即可同时实现NOx的脱除率和控制氨逃逸指标｡
脱硝效率也称NOx脱除率,其计算方法如下:
式中:C1为脱硝系统运行时脱硝装置入口处烟气中NOx含量(mg/m3);C2为脱硝系统运行时脱硝装置出口处烟气中NOx含量(mg/m3),均指标准状态｡
循环流化床锅炉中,NOx含量为500mg/m3,若要求烟气出口NOx含量为200mg/m3,则每标准立方米需脱除300mg的NOx｡
将其在905℃换算到工况条件下的摩尔浓度为:2.32×10-3mol/m3｡当NSR=1.5时,得到还原剂尿素用量为1.74×10-6kmol/m3｡
该设备单台锅炉的尿素耗量小于83.6kg/h,而单个喷枪喷液量为1.67L/min,共有10个喷枪,因此,得到水中尿素含量为2.4%｡将还原剂折合成水的含量为:7.25×10-5kmol/m3｡因此,只要区域内H2O的摩尔浓度大于7.25×10-5kmol/m3皆为有效覆盖面积｡
为研究还原剂的覆盖情况,在旋风分离器入口处沿气流方向选取4个断面,各断面与旋风分离器及喷嘴相对位置见图6｡在图6的4个截面上,还原剂浓度(等效为H2O的摩尔浓度)见图7｡可以看出,随着雾炬的扩散､蒸发,还原剂有效覆盖区域逐渐增加｡根据该结果,改变还原剂用量,重新计算,可对还原剂用量进行优化｡
3、结论
采用数值模拟方法,对选择性无催化还原烟气脱硝过程中的喷雾与混合过程进行了研究,并探讨了该过程对脱硝效率的影响｡烟气脱硝效率与温度､还原剂浓度､覆盖面积､停留时间等有关｡若要实现较高的脱硝效率,还原剂必须喷入合适的温度范围内,因此,炉膛和旋风分离器入口是合适的选择｡
根据烟气脱硝的化学计量式,还原剂必须达到一定的浓度方可除去烟气中的氮氧化物,还原剂的有效覆盖面积对烟气脱硝效果影响至关重要,只有还原剂有效覆盖处才可能发生脱硝反应,而还原剂的有效覆盖需要合适的喷雾及混合过程来保证｡在SNCR装置中,还原剂的喷射位置可以设置在炉膛内,但由于该位置还原剂喷射方向与烟气方向垂直,不利于还原剂在喷雾方向的扩散｡
若达到相应的喷射距离,势必要增加喷雾液滴粒径,而这也会造成蒸发时间延长,容易造成湿壁｡烟气流速越高,相同粒径下的喷射距离越短,即还原剂覆盖面积越小｡比较理想的是,将喷雾位置设在旋风分离器入口,由于烟气在水平方向运动,可以保证喷雾距离,为不造成湿壁现象,液滴粒径应适当减小｡对于外旋式分离器,当喷雾方向与烟气方向不一致时,可适当增加喷雾粒径,以增加喷射距离｡
在此情况下,还原剂的覆盖面积同样受烟气流速度影响｡由于喷雾方向与烟气方向垂直,烟气流速越高,雾炬在宽度方向喷射距离越短,导致有效覆盖面积减小｡
研究了喷嘴喷射的液滴参数对液滴喷射情况的影响｡结果表明,液滴粒径越大,蒸发时间越长,喷射距离也越大,而液滴停留时间与喷射距离基本呈线性关系｡此外,在炉膛高温的影响下,液滴表面的平均温度基本稳定在沸点温度(100℃),随着喷射距离的增长,液滴粒径也逐渐减小,直至蒸发完毕｡
还原剂浓度与喷射距离及蒸发时间有关,雾炬随着烟气向前扩散并逐渐蒸发,使得还原剂有效覆盖区域逐渐增加｡
通过本文的研究,还获得了锅炉的分离器处不同位置截面的还原剂浓度､温度分布情况｡结果表明,当喷枪喷水量为1.67L/min,尿素用量为每台锅炉83.6kg/h时,还原剂的有效覆盖区域较大,可以满足烟气脱硝效率的指标｡但此时氨氮比较高,通过结果分析,可适当降低尿素用量,使得NSR为1.5~2的区域在50%~60%范围,此时,尿素使用量为60.61kg/h即可｡
