大型煤粉锅炉SNCR过程数值研究

1、大型煤粉锅炉SNCR过程数值研究摘要：本文基于FLUENT软件平台，对410t/h燃煤锅炉中SNCR过程进行了建模和模拟计算，计算结果与实验测量数据吻合得很好，阐明了利用这种方法预测大空间，复杂温度场，复杂流场的锅炉炉膛中氮氧化物生成及还原过程的可行性。计算结果表明，在还原剂与氮氧化物初期混合条件有限的情况下，脱硝效果决定于物质的湍流扩散和温度场之间的相互作用。同时，还研究了在不同喷射截面上温度水平和氨氮摩尔比对SNCR过程的影响，表明喷射截面应取在平均温度位于SNCR“温度窗口”中部的截面所对应的高度处，该工况下脱硝率在42%以上，且随氨氮比由1.0提高到2.2，脱硝率增长约58%。但在综合

2、考虑尾部漏氨时，应将氨氮摩尔比控制在1.4以下。关键词：SNCR；大型煤粉锅炉；数值计算；脱硝率文章编号： 中图分类号：TK229 文献标识码：A 学科分类号：470-2040Numerical study of SNCR process in coal-fired boiler with large capacityAbstract: In this article, modeling and numerical simulation for the SNCR process in a 410t/h coal-fired boiler was conducted based on the p

3、latform supplied by FLUENT software. Consequently, the calculation result has good agreement with the data measured in field experiment, so the feasibility of predicting NOx formation and reduction processes in the furnace with large capacity, complex temperature field and complex flow field through

4、 the presented method is confirmed. The simulation result also shows that the NOx removal effect largely depends on the interaction between turbulence diffusion of the materials and temperature field, in the case that the reagents original mixing with NOx is quite limited. On the other hand, the inf

5、luence of temperature level and molar ratio of NH3/NO in different injecting cross-sections on the SNCR process was studied as well. It is indicated that the injecting cross-section should be placed at the corresponding height of the cross-section, of which the temperature located in the middle of t

6、he SNCR “Temperature Window”. In that state, the NOx removal efficiency is above 42%. Meanwhile, it increases approximately by 58% when molar ratio of NH3/NO rises from 1.0 to 2.2. However, considering the NH3 leakage in the empennage area simultaneously, molar ratio of NH3/NO should be controlled b

7、ellow 1.4.Key words: SNCR; Coal-fired boiler with large capacity; numerical simulation; NOx removal efficiency1 引言随着环保要求的提高，大型电站锅炉的NOx排放标准也日益严格。在众多的NOx控制方法中，选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction ，简称SNCR）技术以其投资少，见效快的优点逐渐引起广泛关注。该技术属于燃后控制技术，将氨基物质，如氨水或尿素，在一定条件下与烟气混合，在不使用贵金属催化剂的情况下将NOx还原为无毒的水和氮气。_基金

8、项目：SNCR过程对温度水平十分敏感，一般认为该过程的“温度窗口”为800-11001。若还原剂处于高于该温度区间区域，则倾向于被氧气氧化，这样不但不会降低NOx，反而会产生更多的NOx；若区域温度过低，NOx还原反应太慢，就容易在尾部烟道处产生漏氨问题，腐蚀受热面和空预器等金属表面，造成沾污、堵灰和漏风现象，严重影响锅炉的安全运行。国内外对SNCR过程已经进行了一些数值研究。王智化23构建的反应动力学，对在完全混合条件下的SNCR过程进行了模拟，发现NOx还原率理论上可高达82.1%。Mi-Soo Shin4等在空间限制的燃油炉上进行SNCR模拟，试图通过优化SNCR系统来提高脱硝率。Hey

9、-Suk Kim5等首次对垃圾焚烧炉中的SNCR过程进行数值模拟，研究了垃圾热值，喷射位置和NSR（氨氮摩尔比）等对该过程的影响。但这些研究主要是基于完全混合的理想模型或是在小型技术炉中，缺乏对于大空间，大温度梯度的全湍流复杂流场条件下的计算实例，不能给大型煤粉锅炉SNCR技术改造提供充足的理论指导。本文通过FLUENT软件平台，对410t/h燃煤锅炉的SNCR过程进行建模，研究了在初期混合极其有限的情况下，湍流扩散和温度场相互耦合共同对脱硝效果产生的影响，同时还考虑了喷射截面温度水平及氨氮摩尔比等因素，旨在为大型电站锅炉的SNCR过程研究提供指导。2 模拟对象 图1 SNCR系统示意图 图2

10、 喷嘴雾化效果 Fig.1 Schematic diagram of SNCR system Fig.2 Atomizing effect of the nozzle本文的计算原型为410t/h四角喷燃煤粉锅炉，具体的燃料特性见表。SNCR系统布置在14m和18.5m高度处，每层有14支喷嘴，分别由相应高度的左右墙各五支喷嘴和前后墙各两支喷嘴组成。所喷洒的尿素溶液由质量分数为35%的尿素与一定量的稀释水混合而成，通过调节二者比例可以得到各种浓度的溶液且维持喷射流量恒定。具体的系统示意图见图1。喷嘴为机械式雾化的扇形喷嘴，雾化粒径为100um左右，雾化角为90°，颗粒初速度约为28m/

11、s，从图2中可以看出沿各喷射方向雾化均匀度良好。表1燃料的工业分析与元素分析Table.1 Approximate analysis and elemental analysis of the fuelMar%Aar%Var%FCar%Car%Har%Nar%Oar%Qnet,arKJ/kg14.210.8729.4745.4662.693.410.8310.17231973计算模型3.1 湍流模型采用标准的k模型6来模拟大型锅炉内的湍流流动，该模型通过对k湍流动能和湍流耗散率进行半经验的模化来封闭湍流状态下的流动控制方程。所添加的控制方程如下:： （1） （2）式中，湍流粘性系数mt= Cm

12、rk1/2l；m是分子热运动而引起的动力粘度系数；S为应变率张量的范数；和分别为湍流动能和耗散率的Prandtl数=1.44，=1.92，=0.09。3.2 离散相模型本文的算例中，对煤粉颗粒和SNCR还原剂液滴的跟踪采用了拉格朗日离散相的模拟方法，假设颗粒的运动符合随机轨道模型，并与气相之间相互耦合。颗粒在运动的过程中，与周围的气体进行动量，热量和物质交换，同时进行着水分蒸发，挥发份析出和颗粒表面反应（Particle Surface Reaction）。在计算过程中将挥发份看做是CmHn/CO/CO2/H2/HCN的混合物，其挥发过程符合单方程模型。由于在焦炭燃烧过程中有NOx 生成反应，

13、所以对于焦炭燃烧采用气固多重反应(multiple reaction)模型，具体的反应动力学见下。3.3 物质输运与反应模型对于气相的非预混燃烧反应，NOx生成反应以及SNCR反应，采用了漩涡耗散/动力学模型进行模拟。该模型可以很好的模拟湍流与化学反应的相互作用，在计算化学反应速率时，同时计算湍流耗散速率7和阿累尼乌斯速率，然后取其中的较小者。同时，由于该模型的物质输运是通过直接求解物质的扩散方程来实现的，所以所有物质组分的含量都已根据表进行了核算。3.4 辐射传热模型对于锅炉内的辐射传热，我们采用简单实用的P-1模型。该模型源于对局部辐射强度的球调谐正交展开，且出于简化仅使用了展开式的前四项

14、，得到的能量方程源项可由下式计算： （3）其中，为介质的吸收率；是入射强度；是波尔兹曼常数；T为当地温度。由于同时考虑了颗粒相与气相之间的辐射，所以上述方程需改写为： （4）式中，Ep为颗粒的等效辐射强度；ap是颗粒的等效吸收率。它们都通过对有限体积内的所有颗粒进行归总加和求得。3.5 反应动力学模型炉内的化学反应包括挥发份的气相燃烧，焦炭燃烧，NOx生成反应和SNCR反应，其具体的反应动力学见表2。表中T表示气相温度，K；为气压，Pa；中括号和化学式表示物质的摩尔浓度，mol/m³。焦炭的表面反应不仅依赖于动力学速率，同时依赖于物质的扩散速率，Rdif的计算方法参考对应的文献。N2

15、O2O2挥发份 NHCN焦炭 NNO燃料氮热力氮图3 NOx转化模型示意图Fig.3 Schematic diagram of NOx transformation modelNOx生成过程比较复杂，在计算过程中我们重点关注燃料氮和热力氮的转化过程，忽略快速型NOx，具体的转化模式来自文献8。其中，氢氰酸的两个转化反应形式特别，Y表示物质的摩尔分数，由于氢氰酸的氧化与氧量紧密联系，指数由以氧气摩尔分数为自变量的分段表达式确定9。在SNCR过程中所采用的还原剂是尿素溶液，按照10中简化的反应模式，可认为尿素从液滴中挥发后瞬间转变为NH3，进而发生表2中的两个SNCR反应。表2 各种反应的速率表达

16、式Table.2 Rate expressions of all reactions 炉内发生的各种反应反应速率表达式来源挥发份燃烧 CmHn + m/2O2=mCO+n/2H2 CO +1/2O2 =CO2 H2 +1/2O2 =H2O焦炭燃烧 C(s) + O2 = CO2 NOx转化反应 (N)volatile > HCN (N)char > NO HCN > NO HCN > N2 N2 >NO(热力型NOx转化反应)SNCR反应 NO + NH3 + 1/4O2 = N2 + 3/2 H2O NH3 + 5/4O2 =NO + 3/2 H2O（单方程模型

17、）与焦炭燃烧动力学相同111213141599811 模拟结果及讨论4.1 初始计算结果图温度场计算结果与实际测量对比曲线Fig.4 Comparison curve of the calculated temperature filed and experimental one(a) (b)图无SNCR过程的初始温度场(a)和NOx浓度场(b)Fig.5 Original temperature field (a) and NOx concentration field (b) without SNCR process对炉膛中的温度，NOx和氧量分布进行准确的预测是成功模拟SNCR过程的关键

18、。炉膛出口的氧量和NOx为2.5%和189ppm，与实验测量值2.4%和201ppm十分吻合。从图来看，所预测到的各截面最高温度与实验测量值吻合的很好。14m高度截面平均温度接近SNCR“温度窗口”上限，而18.5m处温度水平则位于“温度窗口”中间，为950。从图5中可以看出，在两截面中心与外缘之间存在相当大的温度梯度（一般温差在250左右），而NOx分布则比较均匀。4.2 脱硝率图6脱硝率计算值与实验值的对比曲线Fig.6 Comparison curve of the calculated NOx removal efficiency and experimental one如图6所示，无

19、论是曲线的变化趋势，还是脱硝率数值，计算结果都喷射工况下，脱硝率整体水平要比上一工况低很多，且当氨氮摩尔比增大到1.2之后基本没有变化。脱硝率整体偏低说明该工况被氧化的NH3比例较高。同时，两高度处外围的温度相差很小，还原剂液滴的蒸发、挥发速率大致相等，所以可认为初期的混合条件相同，且由于NH3集中在外围，混合不是主要影响因素。而脱硝率随氨氮摩尔比增大呈现不同的变化趋势，可以推断，这必然与物质后期的湍流扩散和决定反应进程的温度空间分布有关。4.3 物质的输运与反应从图7(a)中可以看到在15-18m高度的外围存在明显的NOx梯度，这是由于NH3浓度高且温度适合NO还原反应，NOx被迅速还原，与

20、图8(a)中NOx浓度在该区间内呈下降趋势是一致的。而在更靠近炉膛中心的反应界面上温度已接近或高于SNCR“温度窗口”，还原反应和氧化反应速率基本相等，所以增大氨氮摩尔比后，虽然使NH3向内部的扩散量增多，但并不会继续减少NOx量，只会被迅速消耗。这与图8(a)中所呈现的规律也是完全吻合的。在高于18m的区域，由于NH3浓度过低而无法维持外围的还原反应，NOx由内向外扩散，使炉膛外缘的NOx浓度逐渐恢复。(a) (b)图14m喷射工况(a)和18.5m喷射工况(b)下的NOx浓度场Fig.7 NOx concentration field of 14m injecting condition

21、(a) and 18.5m injection condition (b) (a) (b)图14m喷射工况(a)和18.5m喷射工况(b)下NH3和NOx截面平均浓度沿标高的变化曲线Fig.8 Change curve of NH3 and NOx area-weighted concentration along depth in the 14m injecting condition (a) and 18.5m injecting condition (b)在18.5m高度喷射时，由于温度水平降低，比较图8(a)和图8(b)可知，NH3初期消耗速率较14m喷射工况明显减小。这样使NH3在炉

22、膛外围有足够的聚集量，可以建立起相当大的浓度区，从而依靠NH3由外到内，NOx由内到外的湍流扩散作用在合适的温度区域，进行NO的还原反应。这与图7(b)NOx分布规律是完全符合的，在该图中与图5(a)第4条等温线（930）所对应的位置附近可以观察到相当大的NOx梯度。所以NOx浓度沿高度方向呈持续降低趋势。从图8(b)，高于20m各截面平均NOx水平对应下降40-50ppm，说明该工况当NSR=1.0时反应界面的温度水平仍远离SNCR温度上限，扩散源项的增大使反应界面向中心压缩，增大了NOx的还原量。x曲线基本不变。说明当NSR=1.4时反应界面温度已接近“温度窗口”上限，若进一步将反应界面向

23、中心推进，已无法增大NOx还原量，只会使NH3在外围的聚集量增加。综上所述，若前期的反应界面上温度过高，NH3消耗过快，后期没有足够的动力使其扩散到合适的脱销温度区域中，从而造成前期NH3被氧化的比例高且后期无脱销反应的结果；若前期的反应界面上温度适中，则NH3消耗速率降低，后期可在炉膛中心和外围之间建立起强大的浓度差，依靠湍流扩散，在合适的温度区域中持续进行脱硝反应。由此可见，温度场与物质的扩散过程是相互作用的，共同对脱硝效果产生影响。虽然增大氨氮摩尔比会增强NH3在前期的扩散效应，但由于两工况下NH3过经历的温度场不同，也就产生了不同的效果。4.4 炉膛出口氨残余图出口截面平均NH3浓度随

24、氨氮摩尔比的变化曲线Fig.9 Change curve of the area-weighted NH3 concentration in outlet with the increase of NSR如图所示，在18.5m喷射工况下，出口截面NH3平均浓度虽氨氮摩尔比呈指数增长趋势，主要是由于NH3在出口截面外围低温区聚集量增大造成的。相比之下，14m喷射工况时，NH3浓度都在10ppm以下，因为该工况前期NH3消耗速度很快，高度大于18m时已经降到了40ppm以下，同时后期主要残留在炉膛边缘温度低于1070的温度区，在温度高于该水平的烟气出口浓度更低。所以在14m喷射工况下理论上不必考虑

25、漏氨问题。现代的SNCR系统要求做到漏氨量在100ppm以下16，而实际运行中则要求控制在10ppm以内，否则会对尾部的受热面和空预器造成严重腐蚀，使漏风量增大，影响锅炉的高效稳定运行。而本文计算区域的出口依然在SNCR“温度窗口”之内，出口后的烟气流道中依然会进行NO还原反应，所以在18.5m喷射工况下，氨氮摩尔比应控制在1.4以下，这样既保证了脱硝率同时也不会造成严重的漏氨现象。5 结论 本文通过对大型煤粉锅炉中的SNCR进行建模和模拟，初步摸清了该过程的特点，并将计算结果与实际测量结果进行了比较，两者吻合得很好，说明了该模型的合理性。最后，将得到的几点结论总结如下：（1） 在建模过程中，

26、对挥发份的燃烧，NOx的转化和SNCR反应机理做了一定的简化和假设，通过将计算结果与实验结果对比，说明这些假设是合理的，可以对大型煤粉锅炉的NOx生成和还原过程进行成功的预测。（2） 空间大，流场复杂的炉膛中，还原剂与NOx的初期混合较差的条件下，脱硝效果主要决定于物质的湍流扩散和温度场之间的相互作用。（3） 在喷射平面温度水平接近SNCR“温度窗口”上限时，反应界面上NH3氧化速率与NO还原速率相当，NH3初期消耗速度过快，使后期没有充足的动力扩散至温度窗区域；增加氨氮比，只会使更多的NH3在向炉膛中心扩散的过程中被迅速消耗，造成脱硝率普遍较低且过早饱和，但不必担心漏氨问题。（4） 在喷射平

27、面温度水平位于SNCR“温度窗口”中部时，NH3初期消耗速度降低，NH3氧化量减少，后期可依靠扩散在炉膛中合适的温度区中建立脱硝反应界面，使NOx沿高度方向持续降低。增加氨氮比，使反应界面向炉膛中心移动，但随着界面温度的升高，脱硝率增长也逐渐平缓。考虑到尾部的漏氨问题，建议氨氮摩尔比应控制在1.4以下。参考文献1M. Ostberg and K. Dam-Johansen. Empirical Modeling of the Selective Non-Catalytic Reduction of NO: Comparison with Large-Scale Experiments and

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30、boiler. Applied Thermal Engineering, May, 20075 Hey-Suk Kim, Mi-Soo Shin, Dong-Soon Jang , Tae-In Ohm,al. Numerical study of SNCR application to a full-scale stoker incinerator at Daejon 4th industrial complex J. Applied Thermal Engineering, February, 20046范维澄,万跃鹏. 流动及燃烧的模型与计算M. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 199

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