超临界CFB旋风分离器选择性非催化还原脱硝特性模拟

———超临界CFB旋风分离器选择性非催化还原脱硝特性模拟0引言

掌握NOx排放已成为国际共同关注的话题。循环流化床锅炉燃烧温度低，可以抑制炉内温度型NOx的生成。某电厂筹备660MW超临界循环流化床(CFB)机组，为达到更严格的环保标准，需加强脱硝。选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术安装装置少、成本低，SNCR反应温度与CFB锅炉旋风分别器内温度场相适应，烟气流淌在1s左右，在旋风分别器处加装SNCR脱硝系统可以达到50%以上的脱硝率，满意超低排放的标准。

各国学者对CFB锅炉在旋风分别器处加装SNCR脱硝系统进行了广泛的讨论。杨梅等人在管式反应炉上进行流化床SNCR脱硝试验，发觉在氨氮摩尔比为1∶1.5，温度为920℃时，脱硝率可以达到50%;刘辉等人采纳携带流反应器讨论烟气与脱硝剂流淌过程对SNCR脱硝率的影响，发觉温度低于900℃时，烟气与脱硝剂流淌混合对SNCR脱硝率影响不大;温度超过950℃时，烟气与脱硝剂流淌混合成为掌握SNCR反应的主要因素，会降低SNCR反应的脱硝率。以上讨论只是针对一般的SNCR脱硝，而超临界CFB锅炉结构大型化，内部流场更加简单，目前对超临界CFB锅炉SNCR脱硝讨论还比较少。

本文将CHMKIN软件用于简化SNCR反应机理，并将简化机理与流体动力学(CFD)软件相结合，对660MW超临界CFB锅炉SNCR脱硝特性进行分析，为超临界CFB锅炉SNCR脱硝实际运行供应有价值的参考。

1计算模型的建立

1.1物理模型

某电厂660MW超临界CFB锅炉旋风分别器结构简图如图1所示，结构尺寸如表1所示。

1.2网格划分

使用Gambit软件对旋风分别器进行网格划分，并进行无关性检验，最终选择网格数为943200，网格划分如图2所示。

1.3数学模型

RSM模型不再使用各向同涡粘性假设，对于旋风分别器内这类流淌方向简单的模拟有显著优势。文献使用RSM模型进行讨论并获得贴近实际的结果。选择使用RSM模型对旋风分别器流场进行模拟。

QUICK迎风格式不仅具有稳定性而且减小了假集中项，采纳QUICK迎风格式可以得到较为精确     的模拟结果;旋风分别器内流场为高速旋转流淌，使用PRESTO压力插补格式最为合适;为加快收敛，使用SIMPLEC压力－速度耦合方式;辐射传热模型采纳P－1辐射模型。

1.4边界条件

还原剂喷入点位置简图如图3所示。设底部圆心为零点坐标，建立三维坐标，喷入点位置如表2所示。

在对旋风分别器内烟气流场进行全面分析的基础上，对模型进行如下设置:

仅考虑气相稳态流场，不考虑固体颗粒对SNCR反应的影响。

设置烟气主要组分为N2、CO2、H2O、O2和NO，并通过锅炉热力计算获得各组分质量分数分别为62.83%、22.79%、9.95%、4.42%和0.01%。

还原剂选择喷入的是质量浓度为15%的氨水，液滴蒸发过程通过DPM模型进行设置，蒸发生成气态NH3。

SNCR脱硝效率为:

SNCR反应根据反应速率划分为慢反应，应首先模拟得到烟气流淌过程的收敛解，在此基础上进行SNCR脱硝的化学反应求解。讨论表明，此方法可以精确     模拟SNCR脱硝特性。

2SNCR反应机理简化

FLUENT动力学模拟软件含有SNCR脱硝反应模块，该模块的SNCR脱硝反应机理涉及14种组分，其中包含9个基元化学反应。表3为反应模块的反应机理，反应1～7为SNCR脱硝机理，反应8和9为尿素分解过程。

然而FLUENT中SNCR脱硝反应模块不行更改，不能很好地针对简单的反应环境;采纳详尽的SNCR脱硝反应机理睬影响模拟计算效率。所以合理地简化SNCR脱硝反应机理显得非常重要。

2.1敏感性分析

灵敏度分析是CHMKIN4.1软件中自带的一个强大工具，用于确定反应模型中每个反应与目标组分相关的程度。敏感性系数定义为:

针对CFB锅炉旋风分别器的反应条件，对NH3、N2O、NO、NO2、NH2、HNO、H、O、OH、O2、HO2、H2O、NH、NNH、N、N2、CO和CO218种组分进行敏感性分析，组分的敏感性系数肯定值小，表明该基元反应影响小，删除对特定问题影响小的那些中间组分来简化反应机理。

2.2SNCR反应机理简化

以QyvindSkreiberg等人具体的SNCR脱硝反应机理为基础，使用CHMKIN4.1软件进行简化，得到简化机理如表4所示。

2.3简化机理验证

在试验室条件下开展SNCR脱硝反应特性试验，试验系统结构简图如图4所示。

氨氮摩尔比(NSR)为1.2，含氧量为5%条件下，温度为850～1050℃时，将简化反应模拟结果、试验结果和QyvindSkreiberg具体反应机理模拟结果进行比较，结果如图5所示。

由图5可知，三者所得脱硝率随温度变化的趋势是一样的，脱硝率在950℃达到最高值，反应温度过低会使反应速率减慢，导致氨逃逸率上升;反应温度过高会导致氨被氧化而失去脱硝作用，降低脱硝率。试验室条件下结果要高于模拟结果，这是由于试验室条件下仪器尺寸小，反应气体混合程度高。试验论证CHMKIN4.1软件简化后的机理可以正确地模拟超临界CFB锅炉旋风分别器SNCR脱硝反应。

3SNCR反应特性

3.1反应温度对脱硝率的影响

温度是SNCR反应的掌握条件，温度低反应不能进行，而温度高NH3与O2发生反应。模拟得到最佳反应温度对实际运行具有指导意义。

图6为800～1050℃下模拟结果的变化曲线。从图6中可以得到，温度从800℃增加，SNCR脱硝效率随之增加，950℃达到峰值，然后脱硝效率降低，不同NSR的变化趋势是相同的。脱硝率达到最高点后，温度连续提高，脱硝率降低，分析可知当温度过高时，NH3会发生如下反应:

NH3参加反应式(3)、式(4)的反应，导致还原剂量削减，而反应式(4)又会生成NO，增加氮氧化合物的量，最终致使SNCR脱硝率削减。定义反应温窗为脱硝率超过40%时的温度范围，得到反应温窗为850～1050℃。将模拟结果与文献试验数据进行比较，发觉与在固定床试验系统或携带流反应器进行试验的SNCR脱硝率相比差别较大，但是与中试试验或电厂实测结果相比差别较小。分析可知，温度低于900℃时，烟气与脱硝剂流淌混合对SNCR脱硝率影响不大，温度超过950℃时，烟气与脱硝剂流淌混合成为掌握SNCR反应的主要因素。试验室设备尺寸小，还原剂与烟气混合过程简洁，基本可以充分混合，混合程度的影响不是非常明显;但现场设备尺寸是试验室设备数10倍，还原剂与烟气混合过程简单，混合程度便成为关键因素

3.2NSR对脱硝率的影响

削减喷入还原剂的量可以节省成本，但是会导致SNCR脱硝率降低，达不到超低排放标准。模拟得到最经济的NSR对实际运行具有重大意义。图7为不同NSR下脱硝率的变化曲线。

从图7中可以看出，当温度低于反应温度窗口的下限时，NSR的增加对脱硝率几乎没有影响，并且NSR在800℃时NDSR从1增加到2，SNCR脱硝率从16.3%增加到21.1%，仅增加了4.8%。温度连续增加后，提升NSR可以有效地增加SNCR脱硝率，然而，在肯定程度上增加NSR后，脱硝率增加的趋势渐渐减缓。反应温度为950℃时，NSR从1增加到2，脱硝率从49.4%上升到81.1%，上升了31.7%，其中NSR从1增加到1.6，脱硝率从49.4%上升到74.9%，上升了25.5%，而NSR从1.6增加到2，脱硝率从74.9%上升到81.1%，仅上升6.2%。

将NSR对SNCR脱硝率影响与文献数据进行比较，NSR对SNCR脱硝率的变化趋势与文献数据相全都，但是试验数据一般要比模拟猜测值要高，分析可知这是由于反应器尺寸较小，简单得到良好的烟气与还原剂的混合，而CFD模拟模型尺寸接近实际，尺寸结构较大，烟气与还原剂的混合程度要比试验条件下差。从自由基方面来看，一个NH2可产生4个OH自由基，使NH3有充分的OH自由基来产生NH2，NH2进行NH2+NO生成N2和NH2+NO生成NNH的链反应，在NE=1.5左右时，这两种链反应竞争达到平衡，NSR再连续增加，只能使脱硝率缓慢增加，增加幅度趋于平缓。综合考虑SNCR脱硝率和运行经济性因素，结合各国学者的讨论，NSR=1.5较为合适。

3.3氨气逃逸

NH3逃逸造成了脱硝剂的铺张，同时NH3逃逸会污染环境。同时锅炉末尾烟道烟气含有酸性气体，与NH3反应生成铵盐，堵塞后续设备，带来巨大的经济损失。确保NH3逃逸量满意国家标准(≤10mg/m³)对机组的平安经济运行至关重要。图8为不同温度下NH3逃逸量的变化曲线。

从图8中可以看出，NH3逃逸量在温度较低时比较大，NSR减小也随之减小，温度是SNCR反应的掌握因素。在NH3还原NO体系中，主要依靠NH2来还原NO，其中NH2是通过NH3与OH和H基团反应生成的。OH基团是促进NH3转化成NH2的重要物质，温度较低时，OH基团生成会被抑制，导致NH3的还原NO体系进行不充分，NH3逃逸量增大;温度上升，NH3逃逸现象渐渐缓解，反应温度超过930℃时，NH3逃逸量满意国家排放标准，不同NSR下，NH3逃逸具有相同的趋势。这与中试试验台和电厂实测数据比较接近，可以证明模拟结果可以对NH3泄漏进行较好地猜测。

4结论

(1)超临界CFB锅炉SNCR脱硝反应的反应温窗在850～1050℃，脱硝率随温度的增加先上升后降低，950℃时达到脱硝率最高点。

(2)在温度较低时，温度是掌握因素，提高NSR对提高脱硝率影响不大;在800℃下NSR从1提高到2，脱硝率仅提高了4.8%;温度提高到反应温窗内时，提高NSR可以有效提高脱硝率，但提高NSR到肯定程度，增幅会平缓，实际运行中NSR=1.5左右最佳。

(3)NH3逸出在低温下更严峻，NSR越大，NH3逸出越多，随着温度的上升NH3逃逸得到遏制。温度大于935℃时，NH3逸出量小于10mg/m³。

0引言

掌握NOx排放已成为国际共同关注的话题。循环流化床锅炉燃烧温度低，可以抑制炉内温度型NOx的生成。某电厂筹备660MW超临界循环流化床(CFB)机组，为达到更严格的环保标准，需加强脱硝。选择性非催化还原(SNCR)脱硝技术安装装置少、成本低，SNCR反应温度与CFB锅炉旋风分别器内温度场相适应，烟气流淌在1s左右，在旋风分别器处加装SNCR脱硝系统可以达到50%以上的脱硝率，满意超低排放的标准。

各国学者对CFB锅炉在旋风分别器处加装SNCR脱硝系统进行了广泛的讨论。杨梅等人在管式反应炉上进行流化床SNCR脱硝试验，发觉在氨氮摩尔比为1∶1.5，温度为920℃时，脱硝率可以达到50%;刘辉等人采纳携带流反应器讨论烟气与脱硝剂流淌过程对SNCR脱硝率的影响，发觉温度低于900℃时，烟气与脱硝剂流淌混合对SNCR脱硝率影响不大;温度超过950℃时，烟气与脱硝剂流淌混合成为掌握SNCR反应的主要因素，会降低SNCR反应的脱硝率。以上讨论只是针对一般的SNCR脱硝，而超临界CFB锅炉结构大型化，内部流场更加简单，目前对超临界CFB锅炉SNCR脱硝讨论还比较少。

本文将CHMKIN软件用于简化SNCR反应机理，并将简化机理与流体动力学(CFD)软件相结合，对660MW超临界CFB锅炉SNCR脱硝特性进行分析，为超临界CFB锅炉SNCR脱硝实际运行供应有价值的参考。

1计算模型的建立

1.1物理模型

某电厂660MW超临界CFB锅炉旋风分别器结构简图如图1所示，结构尺寸如表1所示。

1.2网格划分

使用Gambit软件对旋风分别器进行网格划分，并进行无关性检验，最终选择网格数为943200，网格划分如图2所示。

1.3数学模型

RSM模型不再使用各向同涡粘性假设，对于旋风分别器内这类流淌方向简单的模拟有显著优势。文献使用RSM模型进行讨论并获得贴近实际的结果。选择使用RSM模型对旋风分别器流场进行模拟。

QUICK迎风格式不仅具有稳定性而且减小了假集中项，采纳QUICK迎风格式可以得到较为精确     的模拟结果;旋风分别器内流场为高速旋转流淌，使用PRESTO压力插补格式最为合适;为加快收敛，使用SIMPLEC压力－速度耦合方式;辐射传热模型采纳P－1辐射模型。

1.4边界条件

还原剂喷入点位置简图如图3所示。设底部圆心为零点坐标，建立三维坐标，喷入点位置如表2所示。

在对旋风分别器内烟气流场进行全面分析的基础上，对模型进行如下设置:

仅考虑气相稳态流场，不考虑固体颗粒对SNCR反应的影响。

设置烟气主要组分为N2、CO2、H2O、O2和NO，并通过锅炉热力计算获得各组分质量分数分别为62.83%、22.79%、9.95%、4.42%和0.01%。

还原剂选择喷入的是质量浓度为15%的氨水，液滴蒸发过程通过DPM模型进行设置，蒸发生成气态NH3。

SNCR脱硝效率为:

SNCR反应根据反应速率划分为慢反应，应首先模拟得到烟气流淌过程的收敛解，在此基础上进行SNCR脱硝的化学反应求解。讨论表明，此方法可以精确     模拟SNCR脱硝特性。

2SNCR反应机理简化

FLUENT动力学模拟软件含有SNCR脱硝反应模块，该模块的SNCR脱硝反应机理涉及14种组分，其中包含9个基元化学反应。表3为反应模块的反应机理，反应1～7为SNCR脱硝机理，反应8和9为尿素分解过程。

然而FLUENT中SNCR脱硝反应模块不行更改，不能很好地针对简单的反应环境;采纳详尽的SNCR脱硝反应机理睬影响模拟计算效率。所以合理地简化SNCR脱硝反应机理显得非常重要。

2.1敏感性分析

灵敏度分析是CHMKIN4.1软件中自带的一个强大工具，用于确定反应模型中每个反应与目标组分相关的程度。敏感性系数定义为:

针对CFB锅炉旋风分别器的反应条件，对NH3、N2O、NO、NO2、NH2、HNO、H、O、OH、O2、HO2、H2O、NH、NNH、N、N2、CO和CO218种组分进行敏感性分析，组分的敏感性系数肯定值小，表明该基元反应影响小，删除对特定问题影响小的那些中间组分来简化反应机理。

2.2SNCR反应机理简化

以QyvindSkreiberg等人具体的SNCR脱硝反应机理为基础，使用CHMKIN4.1软件进行简化，得到简化机理如表4所示。

2.3简化机理验证

在试验室条件下开展SNCR脱硝反应特性试验，试验系统结构简图如图4所示。

氨氮摩尔比(NSR)为1.2，含氧量为5%条件下，温度为850～1050℃时，将简化反应模拟结果、试验结果和QyvindSkreiberg具体反应机理模拟结果进行比较，结果如图5所示。

由图5可知，三者所得脱硝率随温度变化的趋势是一样的，脱硝率在950℃达到最高值，反应温度过低会使反应速率减慢，导致氨逃逸率上升;反应温度过高会导致氨被氧化而失去脱硝作用，降低脱硝率。试验室条件下结果要高于模拟结果，这是由于试验室条件下仪器尺寸小，反应气体混合程度高。试验论证CHMKIN4.1软件简化后的机理可以正确地模拟超临界CFB锅炉旋风分别器SNCR脱硝反应。

3SNCR反应特性

3.1反应温度对脱硝率的影响

温度是SNCR反应的掌握条件，温度低反应不能进行，而温度高NH3与O2发生反应。模拟得到最佳反应温度对实际运行具有指导意义。

图6为800～1050℃下模拟结果的变化曲线。从图6中可以得到，温度从800℃增加，SNCR脱硝效率随之增加，950℃达到峰值，然后脱硝效率降低，不同NSR的变化趋势是相同的。脱硝率达到最高点后，温度连续提高，脱硝率降低，分析可知当温度过高时，NH3会发生如下反应:

NH3参加反应式(3)、式(4)的反应，导致还原剂量削减，而反应式(4)又会生成NO，增加氮氧化合物的量，最终致使SNCR脱硝率削减。定义反应温窗为脱硝率超过40%时的温度范围，得到反应温窗为850～1050℃。将模拟结果与文献试验数据进行比较，发觉与在固定床试验系统或携带流反应器进行试验的SNCR脱硝率相比差别较大，但是与中试试验或电厂实测结果相比差别较小。分析可知，温度低于900℃时，烟气与脱硝剂流淌混合对SNCR脱硝率影响不大，温度超过950℃时，烟气与脱硝剂流淌混合成为掌握SNCR反应的主要因素。试验室设备尺寸小，还原剂与烟气混合过程简洁，基本可以充分混合，混合程度的影响不是非常明显;但现场设备尺寸是试验室设备数10倍，还原剂与烟气混合过程简单，混合程度便成为关键因素

3.2NSR对脱硝率的影响

削减喷入还原剂的量可以节省成本，但是会导致SNCR脱硝率降低，达不到超低排放标准。模拟得到最经济的NSR对实际运行具有重大意义。图7为不同NSR下脱硝率的变化曲线。

从图7中可以看出，当温度低于反应温度窗口的下限时，NSR的增加对脱硝率几乎没有影响，并且NSR在800℃时NDSR从1增加到2，SNCR脱硝率从16.3%增加到21.1%，仅增加了4.8%。温度连续增加后，提升NSR可以有效地增加SNCR脱硝率，然而，在肯定程度上增加NSR后，脱硝率增加的趋势渐渐减缓。反应温度为950℃时，NSR从1增加到2，脱硝率从49.4%上升到81.1%，上升了31.7%，其中NSR从1增加到1.6，脱硝率从49.4%上升到74.9%，上升了25.5%，而NSR从1.6增加到2，脱硝率从74.9%上升到81.1%，仅上升6.2%。

将NSR对SNCR脱硝率影响与文献数据进行比较，NSR对SNCR脱硝率的变化趋势与文献数据相全都，但是试验数据一般要比模拟猜测值要高，分析可知这是由于反应器尺寸较小，简单得到良好的烟气与还原剂的混合，而CFD模拟模型尺寸接近实际，尺寸结构较大，烟气与还原剂的混合程度要比试验条件下差。从自由基方面来看，一个NH2可产生4个OH自由基，使NH3有充分的OH自由基来产生NH2，NH2进行N