垃圾焚燒爐SNCR脫硝特性影響因素分析及優化

倪進飛，李世珍，羅小平，楊 婉

(1.廣州特種承壓設備檢測研究院，廣東 廣州 510663；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640)

生活垃圾處理主要采用填埋、堆肥、焚燒三種方式，目前最主流的還是焚燒法，焚燒法是一種更主動的垃圾處理方式，有技術先進、對環境友好、資源再利用等優點[1]。但是生活垃圾焚燒后會產生大量主要以NO形式存在的氮氧化物，占比約為95%，當煙氣凈化后排向大氣時會生成NO2。脫硝技術一般使用SNCR法，SNCR脫硝特性與多種因素相關，包括：脫硝區域溫度、NO初始濃度、氨氮摩爾比、添加劑等，因此對SNCR脫硝影響因素進行分析研究。Nguyen等[2]采用CFD軟件建立三維垃圾焚燒爐模型，模擬尿素溶液的SNCR脫硝過程，分析爐內溫度場、速度場分布情況，并通過現場試驗來驗證了模擬結果。同時分析液滴粒徑分布對于NOx還原效率的影響，結果非均勻粒徑尺寸的尿素液滴加強了混合程度并提高了還原效率。李艷麗[3]利用CFD軟件對焚燒爐脫硝過程進行模擬，建立還原劑噴射模型，研究液滴粒徑、噴射速度等參數對于液滴蒸發時間、噴射距離以及液滴與煙氣混合程度的影響。并對二次風對焚燒爐的影響進行了一系列考察。Xia等[4]對某爐排垃圾焚燒爐的燃燒與SNCR脫硝進行CFD模擬，模擬結果顯示爐內煙氣速度、溫度以及NOx濃度分布高度不均勻導致脫硝困難。然后采用尿素溶液進行脫硝模擬，分析氨氮摩爾比(NSR)、噴射位置等因素對于爐膛出口NOx濃度及氨逃逸量的影響，提出了合理的NSR值并認為多層噴射是較為合理的方式。Hu等[5]利用CFD軟件研究垃圾焚燒爐的燃燒與脫硝過程，分析分別采用尿素溶液與氨水兩種不同還原劑進行脫硝后爐內溫度場、速度場和出口NOx濃度分布情況以及脫硝效果，發現氨水脫硝效率更高。蔡潔聰等[6]基于Fluent軟件研究尿素溶液對垃圾焚燒爐的脫硝效果，發現當溫度處于960～1 000 ℃時NOx去除率較高，氨逃逸量隨溫度升高而降低。模擬氨逃逸量計算值與試驗值相差較大，分析認為主要是飛灰吸附造成氨逃逸量減小。綜合考慮脫硝效率與運行成本，認為氨氮摩爾比取1.6較為合理。

由上述研究可知，國內外學者對于SNCR脫硝過程的影響因素進行了充分研究，但對于大型垃圾焚燒爐爐內脫硝過程中相關因素的影響特性少有研究。各類因素對于爐內NOx與NH3分布狀態、系統脫硝效率、出口氨逃逸量的影響規律尚不清楚，本文將對此展開研究，為實際脫硝方案設計提供參考。

1 物理模型和計算方法

1.1 構建燃燒與脫硝模型

本文所研究的垃圾焚燒爐為丹麥BWV公司制造的多級傾斜順推式爐排爐，包括進料斗、爐膛、三個煙道區域以及多種換熱裝置。工藝流程如下：生活垃圾通過進料斗進入爐膛后被輸送至各級爐排上方，燃燒后爐渣從排渣口排出；產生的煙氣向上運動，在煙道余熱鍋爐區域進行SNCR脫硝處理，然后經過各種處理排出大氣。爐膛與煙道區域即可完成燃燒與脫硝過程，因此本文將物理模型簡化成圖1所示。

1.2 網格劃分

根據垃圾焚燒爐燃燒數值模擬需要及其實際運行情況，利用Mesh軟件設置網格劃分方式為Terahedrons，為使模擬結果更精準，對二次風口與燃盡風口等參數變化復雜區域進行網格加密處理。網格劃分結果見圖2。

1.3 數值計算模型及基本設置

本文對垃圾焚燒電廠的生活垃圾進行成分分析，結果見表1。

表1 生活垃圾成分分析 %

根據垃圾焚燒處理工藝并結合模型適用場景，本文采取的分析步驟以及各步驟所使用數值模型、相關設置具體如下：選擇湍流模型為Realizablek-ε模型、輻射模型為P1模型、化學反應模型為有限速率/渦耗散(FR-ED)模型，化學反應類型為甲烷與空氣燃燒反應。再模擬NOx生成，根據垃圾焚燒生成的NOx類型，勾選Thermal NOx與 Fuel NOx選項[3,5]。先添加氨水材料再激活SNCR模型，然后采用DPM模型定義氨水注入點，選擇噴射器類型為實心錐形、顆粒類型為液滴、蒸發相為NH3并設置相關噴射參數。根據焚燒爐實際脫硝工況條件設置初始噴射參數，具體如下：氨氮摩爾比為1.3，噴射速度為14 m/s，噴射角度為60°，噴槍入爐膛長度為0.75 m，液滴粒徑為400 μm。另外，考慮到顆粒與流場的相互作用，勾選Interaction with Conti-nuous Phase選項。關閉DPM模型并重新求解NOx模型，分析脫硝后焚燒爐內NOx濃度的變化情況。

1.4 設置邊界條件

設置各級爐排的邊界類型為速度入口并輸入速度、溫度以及各組分質量分數；二次風口與燃盡風口設置為速度入口。由焚燒爐實際運行參數可知，各風口溫度為298.15 K。二次風口S1速度為90.64 m/s，S2速度為5.67 m/s。燃盡風口 F1速度為64.35 m/s，F2速度為27.27 m/s；爐膛區域設置為絕熱壁面?？紤]到煙道區域分布有余熱鍋爐將其設置為恒溫壁面，溫度為750 K；出口采用壓力出口。對于上述邊界的DPM條件，將入口及出口邊界設置為escape，爐膛與煙道區域壁面設置為trap。本文主要分析噴射位置、噴槍數量、氨氮摩爾比(NSR)和噴射速度變化時煙道區域內NOx與NH3分布狀態、脫硝效率、出口氨逃逸量的變化規律。

1.5 數值方法

求解方法為SIMPLE，離散化采用First Order Upwind。為提高計算過程收斂性，將松弛因子盡量調小。通過殘差曲線判斷收斂，在求解氣相燃燒與脫硝過程時除污染物控制方程外其余控制方程均開啟，設置能量方程與輻射方程殘差監控標準為10-6，其余方程為10-3。在求解NOx模型時只保留污染物控制方程，設置殘差監控標準為10-6。

2 計算結果與討論

2.1 噴射位置影響

本文所研究垃圾焚燒爐采用固定式三層噴槍進行噴射。為研究噴射位置對于脫硝過程的影響，分析在開啟不同噴槍時NOx與NH3濃度的變化情況，具體工況見表2，其他變量保持不變。

表2 噴射位置工況設置

當氨水總流量固定時，噴槍開啟數量越少則單只噴槍噴射的氨水就越多，根據分析，第一噴射層煙氣平均溫度更高，更有利于脫硝反應進行。另外，第一噴射層離煙氣出口遠，還原劑有更多時間去進行脫硝反應，而第三噴射層因為煙氣平均溫度低且離煙氣出口近，脫硝反應時間少很多。根據圖3和圖5(a)可知各工況下煙道區域內NOx濃度均隨煙道高度升高而降低，工況4中 NOx低濃度區域面積最大且NOx濃度下降幅度最大，工況6 NOx低濃度區域面積最小且NOx濃度下降幅度最小。由圖4和圖5(b)可知，NH3分布狀態與初始噴射層相關，噴射層越靠近煙道下方NH3分布范圍越廣。開啟噴射層所在截面附近NH3濃度會突然上升，而其他高度區域NH3濃度變化較小?？傮w來看，雖然工況4氨逃逸量較多，但是其脫硝效率很高，綜合考慮工況4屬于最佳工況。

2.2 噴槍數量影響

本節將研究噴槍數量對于SNCR脫硝效率以及氨逃逸量的影響。結合2.1節只分析開啟第一層噴槍條件下(工況4)，煙道前后墻上分別增加兩支、四支與八只噴槍時NOx與NH3濃度的變化情況。工況條件見表3，噴槍布置狀態見圖6。

表3 噴槍數量工況設置

觀察圖7發現：增加噴槍數量基本不會改變煙道區域NOx分布狀態，但是會對NOx低濃度區域的面積大小產生影響。其中，工況1中NOx低濃度區域面積最大，說明相對于其他工況脫硝效果相對較好。由圖7和圖9(a)可知，各工況下截面NOx平均濃度隨高度變化情況基本一致，說明噴槍數量增多對SNCR脫硝過程幾乎沒有影響，因為單噴射流量因為噴槍數量增多而減小。由圖8及圖9(b)可知噴槍數量逐漸增加整個煙道區域內NH3濃度分布更加均勻，各工況下煙道截面上NH3平均濃度隨高度變化趨勢一致且出口濃度差異不大。綜合考慮看出，現有條件下增加噴槍幾乎無效果，因此建議保持現狀(7支噴槍)。

2.3 氨氮摩爾比(NSR)影響

為研究氨水流量對于脫硝過程的影響，本節選取氨氮摩爾比處于1～1.6的7種工況進行模擬，工況設置見表4。

表4 氨氮摩爾比工況設置

由圖10(a)可知，當氨氮摩爾比從1增大到1.6時，在煙道區域，NOx濃度的下降幅度逐漸增大，因為隨著氨氮摩爾比增大即氨水噴射量增加，其脫硝反應速率加快，同時將有更多的氨水液滴參加還原反應，引起NOx濃度降低。由圖10(b)可知，18 m與27 m高度截面上各工況的NH3平均濃度存在明顯區別，氨氮摩爾比越大時NH3濃度越高。這是因為在初始NOx濃度相同時，需要的還原劑總量不變，氨水流量增大會NH3剩余更多，引起各截面上NH3平均濃度上升。

由圖10可知，氨氮摩爾比增加時脫硝效率與氨逃逸量均增大時，當氨氮摩爾比屬于1.3～1.4時脫硝速率增速明顯降低并且幾乎保持不變，而氨逃逸量持續增長。當氨氮摩爾比為1.6時，脫硝效率和氨逃逸量與氨氮摩爾比取1相比分別提高了18.29%、89.15%，與氨氮摩爾比取1.3相比分別提高了6.81%、41.16%。綜上所述本文建議氨氮摩爾比取1.3(工況0)，由此既能保證脫硝效率、減小氨水消耗量，還能將氨逃逸量控制在較低水平。

2.4 噴射速度影響

為研究噴射速度對于脫硝過程的影響，本節設置7種模擬工況。各工況噴射速度與原始工況噴射速度比值位于0.4～1.6，工況設置見表5。

表5 噴射速度工況設置

由圖11(a)可知，在煙道區域內，當氨水噴射速度從5.6 m/s增大到22.4 m/s時，出口截面(27 m)上NOx平均濃度分別比18 m高度處下降較多，且隨著噴射速度增加下降幅度也在增加，在工況5(噴射速度19.6 m/s)效果最好，但是當噴射速度繼續增大到22.4 m/s時脫硝效果反而變差。分析原因可知當噴射速度在一定范圍內持續增大時有利于氨水液滴與煙氣進行充分混合與換熱，在較短時間內液滴能夠析出NH3，從而延長NH3與NOx反應時間。同時，速度變大意味著液滴具有的動能增加，這樣能夠保證更多氨水液滴更快到達漩渦中心區域參與還原反應，引起NOx濃度的下降幅度增大。當速度達到22.4 m/s時，由于氨水液滴蒸發速率過快可能導致反應區域內溫度下降，從而降低脫硝效果，或者由于液滴在煙氣氣流影響下繼續運動到煙道壁面附近的低溫、低NOx濃度區域，造成脫硝反應速率降低、NOx濃度的下降幅度減小。觀察圖11(b)可以發現，當噴射速度變化時，18～27 m煙道區域內NH3平均濃度隨煙道高度變化趨勢基本一致，說明改變噴射速度幾乎不會影響NH3分布狀態。最終在27 m高度截面上，各工況下NH3濃度差值小于0.6×10-6。

由圖11可知，在5.6 ～22.4 m/s噴射速度，隨氨水噴射速度增大脫硝效率呈現先小幅度降低后持續升高再大幅度降低的趨勢，當噴射速度為19.6 m/s時脫硝效率最高，為56.47%。噴射速度改變會引起出口氨逃逸量小幅度波動，波動幅值小于1×10-6，最小氨逃逸量為6.75×10-6且出現在19.6 m/s噴射速度條件下。綜上，本文建議選取氨水噴射速度為19.6 m/s。

2.5 優化工況選擇

根據前文分析結果設置優化工況參數條件見表6。煙道區域NOx與NH3分布狀態如圖12所示，由圖12可知，在18～27 m煙道區域范圍內NOx濃度隨高度升高持續降低，降低速率逐漸放緩，該區域內NOx濃度的下降幅度為57.12%；NH3濃度隨高度升高先迅速上升后逐漸下降，20 m高度截面上NH3濃度最高，為9.43×10-6。綜合來看，NOx與NH3濃度均在18～20 m高度范圍內出現大幅度變化，這與第一層噴槍開啟有關。

表6 優化工況設置

煙道出口NOx與NH3分布狀態如圖13所示，此時出口截面上NOx平均濃度為85.28 mg/m3，故脫硝效率為68.03%，NH3平均濃度(氨逃逸量)為4.64×10-6。相比于原始工況，脫硝效率提高24.62%，氨逃逸量降低37.38%。在優化工況條件下實現了脫硝效率最高、氨逃逸量最低的脫硝效果，為實際脫硝工藝設計或改進提供了參考意見。

3 結 論

本文建立焚燒爐燃燒和脫硝數值模型并構建物理模型，利用Fluent研究各種參數對脫硝特性的影響規律，分析煙道區域內NOx與NH3分布狀態、脫硝效率以及氨逃逸量，得到以下結論：

(1)噴射位置和氨氮摩爾比對于煙道區域內NOx分布狀態、脫硝效率具有較大影響。與其他工況相比，只開啟第一層噴槍，煙道區域內NOx濃度的下降幅度最大且氨逃逸量相差不大。隨著氨氮摩爾比增大，煙道區域內NOx濃度下降幅度增大、脫硝效率提高但是氨逃逸量持續增加，氨氮摩爾比為1.6時出口氨逃逸量超標，氨氮摩爾比取1.3時綜合效果最好。

(2)噴槍數量和噴射速度對于煙道區域內NOx分布狀態、脫硝效率影響不大。噴槍數量的增加基本不會改變煙道區域NOx分布狀態，會讓NH3分布變得更加均勻，但出口氨逃逸量的差值很小。當噴射速度增大時，各類工況下NOx濃度下降幅度不大，同時對出口處氨逃逸量影響較小。

(3)優化工況條件為：僅開啟第一層噴槍并保持噴槍數量為7支，噴槍伸入爐膛0.75 m，氨氮摩爾比取1.3，液滴粒徑為400 μm，噴射速度和角度分別為19.6 m/s和60°。此工況條件下得出脫硝效率為68.03%，比原始工況提高24.62%，氨逃逸量為4.64×10-6，比原始工況降低37.38%。