660 MW燃煤電廠SNCR脫硝數值模擬

程智海 時光輝 趙玉偉 劉海龍

上海電力大學能源與機械工程學院

0 引言

氮氧化物是工程中重點控制排放的污染物，分級燃燒技術、選擇性催化還原技術（SCR）、非選擇性催化還原技術（SNCR）和聯合脫硝技術是現在大型燃煤電廠控制NOx的主要技術手段[1]。在未來燃煤電廠環保改造的大環境下，SNCR作為一種改造成本低，調節控制簡易的技術將有更大的應用空間。SNCR脫硝技術是在溫度窗口（900～1100℃）通過脫硝噴槍向爐膛內部噴入還原劑與鍋爐內的煙氣均勻混合，經過無催化劑的氧化還原反應，脫除煙氣中的氮氧化物[2]。因尿素溶液相比氨氣的氨污染更低，且噴射擴散性能更好，電廠SNCR脫硝的還原劑使用尿素溶液有更優的效果[3]。一些研究者對中小型鍋爐的SNCR脫硝過程進行了數值模擬，本文借助CFD平臺，模擬660 MW電廠鍋爐在不同的氨氮比時情況下SNCR脫硝運行的效果。

1 研究對象與幾何建模

對一臺超超臨界、四角切圓燃燒鍋爐進行建模，爐寬、爐深、爐高分別為20.336 m、19.230 m、70.151 m。模擬計算是先進行脫硝前的滿負荷燃燒計算和氮氧化物計算，然后對爐膛上部的SNCR反應進行脫硝計算。為了減少模擬整體的計算量，對爐膛頂部內的換熱器進行適當簡化。SNCR反應區計算域的結構圖見圖1。爐膛內的8片屏式過熱器和43片末級過熱器的位置和各層脫硝噴槍的高度見圖1所示

圖1 SNCR計算域結構圖

如圖1所示，爐膛頂部有6個尿素溶液噴射區，尿素溶液通過脫硝噴槍在不同高度位置向爐內垂直噴射與爐膛內煙氣混合。第一層在前墻51.2 m高度處布置有6個脫硝噴槍，其余3面墻各布置4個脫硝噴槍；第二層和第三層分別在前墻57 m和61.81 m高度處設置有6個脫硝噴槍；第四、五、六層脫硝噴槍嵌在分隔屏式過熱器與屏式過熱器之間，在兩側墻均布置了脫硝噴槍，高度分別為58.25 m、62.3 m、66.05 m，第四、第五和、第六層噴槍距前墻15 m。

模擬邊界條件根據鍋爐實際運行參數設定，計算模型進口一次風、二次風速度分別為33 m/s和60 m/s，溫度分別為348 K和606 K。煤粉的平均直徑為25μm，分布指數為1.15，溫度為525 K，滿負荷鍋爐進煤流量為74.4 kg/s。分割式屏式過熱器的換熱溫度為740 K，末級過熱器的換熱溫度為780 K.。通過脫硝噴槍噴入的霧化尿素溶液與爐膛內煙氣的均勻混合效果決定SNCR的脫硝效率。因此，提高均勻混合程度依靠脫硝噴槍有良好的還原劑霧化性能。還原劑霧化質量指標包括合適的液滴粒徑，液滴粒徑過大不易與煙氣均勻混合，過小難以深入爐膛深部反應區；覆蓋SNCR反應區的霧化角，霧化角過大不利于還原劑聚集在理想的SNCR反應區高度。根據尿素溶液噴槍參數與特性，確定脫硝噴槍噴出的液滴粒徑由Rosin-Rammler分布控制，液滴粒徑范圍為60μm～120μm，分布指數為1.15，粒徑分組數為10，平均粒徑為100μm，脫硝噴槍噴射速度參數為30 m/s。各層噴槍的流量根據尿素溶液與氮氧化物的氨氮比調節。

鍋爐頂部有非常多的過熱器屏、再熱器屏進行煙氣換熱，全部劃分的網格數會較多，對計算機的要求較高．所以本文將過熱器、再熱器管群簡化為一定厚度的屏，并且適當減少屏的數量，這樣網格數會相應減少。將鍋爐幾何體劃分為不同幾何區，對爐膛頂部SNCR反應區的網格加密，使用標準六面體網格進行網格劃分總網格數為156萬，網格劃分情況見圖2-1和圖2-2。

圖2-1 網格劃分正視圖

圖2-2 網格劃分俯視圖

2 SNCR模擬數學模型

煙氣脫硝SNCR反應可以看作是涉及熱輻射的湍動流反應系統，包含流體傳熱、尿素熱解揮發、液體氣體兩相流、動力化學反應。

其中煤粉、煙氣、液滴的湍流流動使用離散相來處理[4]。對于實際情況，煤粉和溶液在大空間爐膛內的運動軌道是可以看作隨機分布的，爐內離散相用粒子拉格朗日隨機軌道模型來模擬。煤粉燃燒的鍋爐內，爐膛輻射傳熱占爐膛傳熱量95%以上，模擬采用p1輻射模型?？紤]需要模擬射流撞擊、旋流等復雜混合流動，湍流方程模型采用RNG k-ε雙方程模型[5]。使用湍流漩渦耗散概念模型（EDC）來模擬尿素溶液與煙氣的綜合脫硝化學反應，EDC模型將詳細的化學反應機理納入湍流反應流中，模型認為化學反應發生在不連續的湍流能量耗散區域中。

EDC模型引入良好尺度[6]視為化學反應的反應范圍區，反應區在很小的湍流結構中。良好尺度的計算公式為（1）：

式中：?ξ──容積比率常數2.137 7；

ν──運動黏度

該模型認為在良好尺度范圍內，化學反應在流體反應區滯留時間時間τ*之后進行。計算如下：

式中：?τ──時間尺度常數0.4072

Arrhenius方程[7]決定化學反應速率，前向速率常數k由公式（3）得到：

式中：Ar──指數前因子；

βr──溫度指數；

Er──反應活化能；

R──氣體常數。

將尿素和水配置為質量1：9的尿素溶液作為還原劑，用噴槍霧化均勻噴入爐膛內部，經過高溫下水的蒸發、尿素熱分解、HNCO水解和氨氣生成，然后氨氣再還原氮氧化物，一部分氨氣在過量氧氣條件下在被氧化成NO[8]，對于溶液中的尿素采用（3）的熱分解反應公式[9]。

由于SNCR反應區的溫度遠高于尿素熱分解的溫度600 K，所以在尿素溶液噴入爐膛后，假定尿素瞬間完全分解為氨氣。對于尿素溶液熱解生成的NH3參與氮氧化物的氧化還原反應，模型使用Ostberg和Dam-Johansen建立的兩步反應模型[10]，反應區的溫度超過SNCR的理想反應溫度時，NH3被氧化為NO的反應（6）速率比反應（5）更快；反應區的溫度在SNCR溫度窗口內，NO被NH3還原成N2的反應（5）速率比反應（6）更快。

本文采用的簡化還原反應的動力學參數根據文獻[9]：

反應(5)中Ar=4.240E+08 cm3/mol-sec，βr=5.30，Er=349 937.06 J/gmol；反應(6)中Ar=3.500E+05 cm3/mol-sec，βr=7.65，Er=524 487.005 J/gmol。

3 計算結果分析

3.1 爐內溫度（K）分布

在57 m以下爐膛溫度基本上超出SNCR脫硝的理想溫度窗口，在1 300度以上，因此在鍋爐滿負荷運行情況下，一區二區和四區的脫硝噴槍需退出使用。而三區、五區、六區尿素溶液噴槍高度區域的爐膛溫度在1 200 K到1 400 K之間，在SNCR的溫度窗口內。6區噴槍附近區域溫度接近1 200K，存在氧化還原反應，但是SNCR反應速率偏慢，會有部分氨氣漏失。根據模擬結果控制脫硝噴槍投用，高度為61.81 m的3區脫硝噴槍噴入總量40%的還原劑，高度為62.3 m的5區脫硝噴槍噴入總量45%的尿素溶液，高度為66.05 m的6區脫硝噴槍噴入總量15%的尿素溶液。

在鍋爐滿負荷運行工況下，對爐膛噴入不同流量的尿素溶液，模擬氨氮比為1、1.5、2、2.5四種情況下的SNCR脫硝效果。

圖3 爐膛中心截面溫度分布（K）

3.2 NO分布情況

由圖4-1～圖4-4所示為氨氮摩爾比分別為1.0、1.5、2.0、2.5時的NO縱截面分布情況。從圖中可以看出，由于大型燃煤鍋爐尺寸更大，尿素溶液無法深入爐膛中心區域與煙氣混合所以脫硝效果很差，氮氧化物濃度基本不變，而大部分脫硝反應發生在尿素溶液霧化區域4米內，表明SNCR反應溫度窗口和爐膛內的湍流流動是脫硝效果的重要影響因素。

而且從圖中可以看出煙氣通過屏式過熱器后，由于溫度降低，基本不發生脫硝反應，NO濃度變化較小。計算結果發現在氨氮比增加的情況下，脫硝反應速率更大，更多的NO被還原成N2，但同時脫硝效率增加的更慢，氨氣的漏失量增加。根據氧化還原化學過程分析，是氧化還原反應速率的限制，尿素熱解生成的NH3增加到一定值達到飽和，所以脫硝效率的變化更趨于穩定。

圖4-1 氨氮比為1時NO濃度分布(μmol/mol)

圖4-2 氨氮比為1.5時NO濃度分布(μmol/mol)

圖4-3 氨氮比為2.0時NO濃度分布(μmol/mol)

圖4-4 氨氮比為2.5時NO濃度分布(μmol/mol)

計算得到在鍋爐最大負荷運行條件下，氨氮比為 1、1.5、2、2.5時，SNCR 脫硝效率分別為25.9%、29.3%、31.2%、32.2%，NH3漏失量分別為 5 μmol/mol、11.2 μmol/mol、26.5 μmol/mol、46.1 μmol/mol?？梢缘弥诎钡?到2范圍增加時，NH3將NO還原為N2為主要反應，更多的NH3產生參與爐膛內的脫硝反應，使脫硝效率明顯增大，漏氨量變化較??；而當氨氮比超過2時，還原劑飽和，競爭反應NH3被氧化為NO速率增加，所以出現脫硝率增加變慢，漏氨量增大的情況與工程實際情況基本吻合。根據該鍋爐SNCR反應模擬結果，將還原劑和氮氧化物的氨氮比控制在1.5附近可以達到較理想的脫硝效果。

4 結論

為了提高脫硝效率，控制氨氣污染，大型燃煤電廠爐膛溫度場、流場梯度大需要根據不同負荷情況下的爐膛內部溫度場分布，來協調控制不同高度位置的脫硝噴槍投入使用，并選擇最合適的氨氮比調節尿素溶液的流量。鍋爐滿負荷工況下，低于57 m的爐膛內部溫度超過SNCR反應窗口，所以應采用3區、5區、6區的的噴槍控制氨氮比在1.5附近可以達到更理想的SNCR脫硝效果，在漏氨量為11.2 μmol/mol滿足工業漏氨控制要求的同時，脫硝率可以達到29.3%。