SNCR的噴霧與混合過程及其對脫硝效率的影響

北極星節能環保網訊:在燃煤鍋爐和垃圾焚燒鍋爐的燃燒產物中,氮氧化物(NOx)是危害嚴重的大氣污染物?2011年發布的《火電廠大氣污染物排放標準》中規定燃煤鍋爐NOx的排放濃度限值為100mg/m3,而現有燃煤鍋爐的NOx排放值大約在600~1200mg/m3?雖然可以通過低NOx燃燒方式來降低其排放,但仍無法達到日益嚴格的環保要求,因此,煙氣脫硝作為降低NOx排放的最後一個環節,其作用不言而喻?目前,工程中常用的脫除煙氣中NOx的方法包括SCR(選擇性催化還原)和SNCR(選擇性無催化還原)2種形式,相對於SCR技術,SNCR技術的建設周期短,投資和運行成本低?

研究結果表明,在溫度為850~1100℃條下,SNCR的脫硝效率可高達90%?但目前運行的SNCR裝置中,脫硝效率一般低於50%,其中重要的原因是還原劑與NOx混合不理想?因此,通過數值模擬的方法,預測還原劑在高溫爐膛內的混合情況對SNCR的實際應用有非常重要的意義?

在SNCR工藝中,NOx的脫除率由多種因素決定,主要包括:反應溫度?停留時間?還原劑與煙氣的混合程度?還原劑與NOx的摩爾比?NOx初始體積濃度?氧濃度?添加劑的影響等?

NOx的產生及脫除模型極其複雜,包括眾多假設及簡化?其中NOx根據產生機理可分為熱力型?燃料型及快速型?熱力型NOx的產生基於Zeldov-ich原理;燃料型NOx是由燃料中的氮裂解成HCN等中間產物,再被氧化成NO?但在熱力型NOx和燃料型NOx的生成過程中,溫度?氧濃度?停留時間等均會影響NO的生成?此外,添加再燃燃料也會影響NOx的生成以及SNCR反應過程?而NOx與還原劑的反應涉及到207個基元反應,如此眾多的方程給數值計算帶來了極大的困難,因此需要對其進行簡化?李維成等對SNCR過程的反應進行簡化,最終得到12個組分8步總包反應的簡化機理,Nguyen等提出簡化的7步反應模型,盧志民則對幾種反應機理進行對比,並進行敏感性分析,研究各模型預測的準確性,李穹等採用簡化的SNCR反應機理研究了溫度?氨氮摩爾比等對SNCR脫硝效率的影響?而NOx與還原劑的反應能否順利進行與還原劑和煙氣的混合程度?停留時間?相變過程以及反應物的濃度有著直接關係,因此,僅從化學反應動力學角度進行研究還不足以準確預測SNCR過程NOx的脫除程度?Liang等採用實驗手段對SNCR過程中的混合過程及停留時間等進行了研究?為了進一步優化SNCR工藝中還原劑的噴射方案,從而強化還原劑與煙氣的混合效果,本文採用數值模擬方法研究SNCR過程中還原劑噴霧?混合和擴散問題,通過計算還原劑的覆蓋面積,並考慮氨氮摩爾比估算其脫硝效率;重點研究噴霧過程的影響,得到噴霧粒徑?噴霧量?蒸發時間?噴霧距離等對SNCR過程的影響?

1模型描述及研究方法

1.1研究模型

選擇性無催化還原脫硝技術是在沒有催化劑的條件下,利用還原劑將煙氣中的NOx還原為無害的N2和H2O的過程?由於需要研究液滴在高溫煙氣中的相變及擴散過程,必須考慮氣液兩相(高溫煙氣與還原劑液滴)的耦合作用?

在SNCR過程中,實際噴射的還原劑溶液一般為稀溶液(濃度為5%~7%),因此,可用水蒸汽的濃度分布近似表徵還原劑的濃度分布?噴霧量與煙氣量相比非常稀薄,可採用Fluent軟體中的離散相模型,煙氣為連續相,在爐膛內自下向上流動?還原劑的水溶液為第二相,還原劑以液滴的形式噴入爐膛與煙氣混合?換熱,並逐漸蒸發和擴散?由於本文不考慮SNCR過程的化學反應,故選用無化學反應的組分輸運模型(speciestransportmodel),考慮液滴的傳熱方程?蒸發與沸騰方程,忽略熱泳力?saffman升力?布朗力,以及粒子輻射力?由於爐膛中煙氣溫度較高,需要考慮輻射傳熱,根據光學深度(αL)選擇顆粒的輻射模型(P1)?

本課題研究煙氣的脫硝效率,不研究NOx的產生過程,因此,按照煙氣分析儀測得的煙氣成分將煙氣中的NOx折算成NO?由於研究過程不包括燃燒過程,建模時可省略布風板以下部分,認為爐膛內流體為均勻的煙氣混合物?前已提及,SNCR的窗口溫度為850~1100℃,因此,需將其噴入爐膛內合適的溫度處,而省煤器?空預器處溫度已不適合SNCR反應,為簡化模型,只考慮旋風分離器以前的部分?根據上述簡化建立的計算模型見圖1?網格劃分原則上需兼顧計算精度及計算時間,通過在重點研究的位置加密網格(噴霧位置),最終劃分網格數863280個?

1.2邊界條件

根據鍋爐運行工況,設定壁面為絕熱,入口類型為質量入口,煙氣的質量流量為71.83kg/s,溫度為905℃?出口類型為壓力出口?根據選用的噴槍型號,確定離散相液滴噴水量?液滴噴射速度?液滴霧化粒徑等幾個參數?其中,液滴由錐形噴槍噴入流場,噴嘴霧化角為30°,單個噴嘴噴水量為0.0278kg/s,假設液滴粒徑符合Rosin-Rammler分布,液滴粒徑範圍為20~100μm?20~150μm和20~200μm3種規格,中徑為59μm,液滴粒徑分布指數為3.5?

2CFD模型模擬結果

對循環硫化床鍋爐而言,最適合噴入還原劑的位置是在旋風分離器入口處,此處溫度處於SNCR的窗口溫度範圍內,並且由於面積狹小,有利於還原劑的完全覆蓋,可提高脫硝反應效率?如圖2所示,在該位置高度方向對稱布置5層噴嘴?

2.1粒徑對液滴霧炬的影響

由於旋風分離器入口為切向進氣方式,而切向進氣包括內旋和外旋2種方式(見圖3)?對配置2個對稱旋風分離器的鍋爐而言,由於操作空間限制,從外側噴射還原劑是比較理想的選擇?從外側噴射時,對外旋分離器而言,噴射方向與氣流方向一致(稱為順噴),有利於液滴擴散;而對內旋分離器而言,噴射方向與氣流方向相反(稱為逆噴),噴射霧滴需克服氣流方能繼續向前擴散,分別對順噴和逆噴時粒徑的影響進行了研究?圖4為不同粒徑?不同噴射情況下液滴軌跡與停留時間關係?由圖4

(a)和(b)可知,當液滴粒徑為20~200μm時,順噴時液滴在氣流的帶動下,很容易噴到對側壁面,而逆噴時則噴到壁面較少?但仍有部分噴到對側壁面,發生濕壁現象?由圖4(c)可知,液滴粒徑為20~100μm時,無論順噴還是逆噴,其噴射距離都比較短,甚至不到通道寬度的1/2(只給出了逆噴,順噴結果也相差不多),這勢必會影響還原劑的覆蓋面積?而從圖4(d)給出的液滴粒徑範圍在20~150μm時的液滴軌跡可以看出,此時液滴軌跡剛好覆蓋整個煙氣通道,並且基本不與壁面接觸,而蒸發時間也較符合煙氣脫硝過程對蒸發時間的要求?因此,後文的研究中採用液滴粒徑範圍20~150μm?逆噴形式?當然,粒徑範圍與分離器結構以及氣流速度等有關,改變工況其粒徑範圍也需作相應改變?

2.2液滴噴射參數

圖5分別為液滴停留時間?粒徑?表面溫度及還原劑濃度與噴射距離的關係曲線?由圖5(a)可知,停留時間與噴射距離基本呈線性關係,噴射距離越長的液滴停留時間也越長;根據圖5(b),隨著噴射距離的增加,所有液滴粒徑均逐漸減小?當噴射距離達到3.75m時,所有的液滴蒸發完畢;而從圖5(c)可以看出,在爐膛高溫的影響下,液滴表面的平均溫度逐漸上升到沸點溫度,然後開始蒸發,達到穩定狀態下,液滴溫度基本維持在沸點溫度(100℃),直至蒸發完畢;根據圖5(d),還原劑在煙氣中的局部濃度有一個先上升後急劇下降的趨勢,其原因在於:在射流的中心區域,液滴的數目較大,並且此時已有部分液滴完全蒸發和擴散;在液滴噴射的起始區域,液滴還未完全蒸發和擴散,因此,煙氣中還原劑的濃度還較低;在射流末端的液滴顆粒較少?

2.3爐膛內不同截面還原劑濃度和溫度分布

脫硝過程通常使用的還原劑包括液氨?氨水和尿素,與前兩者相比,尿素使用過程的安全性容易保證?用尿素作為還原劑時,總包反應為:

由公式(2)可知,理論的氨氮摩爾比為1,而根據公式(1),尿素與氨的比例為1∶2,所以還原劑尿素與NO的摩爾比為1∶2?

定義:NSR=還原劑與入口NOx的實際摩爾比/還原劑與入口NOx的化學計量摩爾比?

儘管從理論上來講,提高NSR有利於提高SNCR工藝的脫硝效率,但過高的氨氮摩爾比會導致較大氨逃逸率?而相關研究表明,當NSR達到1.5時,相應的脫硝率可以達到90%?因此,建議根據實際的煙氣量和NOx濃度調整還原劑的噴射量?將NSR為1.5~2的區域控制在50%~60%範圍內,即可同時實現NOx的脫除率和控制氨逃逸指標?

脫硝效率也稱NOx脫除率,其計算方法如下:

式中:C1為脫硝系統運行時脫硝裝置入口處煙氣中NOx含量(mg/m3);C2為脫硝系統運行時脫硝裝置出口處煙氣中NOx含量(mg/m3),均指標準狀態?

循環流化床鍋爐中,NOx含量為500mg/m3,若要求煙氣出口NOx含量為200mg/m3,則每標準立方米需脫除300mg的NOx?

將其在905℃換算到工況條件下的摩爾濃度為:2.32×10-3mol/m3?當NSR=1.5時,得到還原劑尿素用量為1.74×10-6kmol/m3?

該設備單台鍋爐的尿素耗量小於83.6kg/h,而單個噴槍噴液量為1.67L/min,共有10個噴槍,因此,得到水中尿素含量為2.4%?將還原劑摺合成水的含量為:7.25×10-5kmol/m3?因此,只要區域內H2O的摩爾濃度大於7.25×10-5kmol/m3皆為有效覆蓋面積?

為研究還原劑的覆蓋情況,在旋風分離器入口處沿氣流方向選取4個斷面,各斷面與旋風分離器及噴嘴相對位置見圖6?在圖6的4個截面上,還原劑濃度(等效為H2O的摩爾濃度)見圖7?可以看出,隨著霧炬的擴散?蒸發,還原劑有效覆蓋區域逐漸增加?根據該結果,改變還原劑用量,重新計算,可對還原劑用量進行優化?

3結論

採用數值模擬方法,對選擇性無催化還原煙氣脫硝過程中的噴霧與混合過程進行了研究,並探討了該過程對脫硝效率的影響?煙氣脫硝效率與溫度?還原劑濃度?覆蓋面積?停留時間等有關?若要實現較高的脫硝效率,還原劑必須噴入合適的溫度範圍內,因此,爐膛和旋風分離器入口是合適的選擇?根據煙氣脫硝的化學計量式,還原劑必須達到一定的濃度方可除去煙氣中的氮氧化物,還原劑的有效覆蓋面積對煙氣脫硝效果影響至關重要,只有還原劑有效覆蓋處才可能發生脫硝反應,而還原劑的有效覆蓋需要合適的噴霧及混合過程來保證?在SNCR裝置中,還原劑的噴射位置可以設置在爐膛內,但由於該位置還原劑噴射方向與煙氣方向垂直,不利於還原劑在噴霧方向的擴散?若達到相應的噴射距離,勢必要增加噴霧液滴粒徑,而這也會造成蒸發時間延長,容易造成濕壁?煙氣流速越高,相同粒徑下的噴射距離越短,即還原劑覆蓋面積越小?比較理想的是,將噴霧位置設在旋風分離器入口,由於煙氣在水平方向運動,可以保證噴霧距離,為不造成濕壁現象,液滴粒徑應適當減小?對於外旋式分離器,當噴霧方向與煙氣方向不一致時,可適當增加噴霧粒徑,以增加噴射距離?在此情況下,還原劑的覆蓋面積同樣受煙氣流速度影響?由於噴霧方向與煙氣方向垂直,煙氣流速越高,霧炬在寬度方向噴射距離越短,導致有效覆蓋面積減小?

研究了噴嘴噴射的液滴參數對液滴噴射情況的影響?結果表明,液滴粒徑越大,蒸發時間越長,噴射距離也越大,而液滴停留時間與噴射距離基本呈線性關係?此外,在爐膛高溫的影響下,液滴表面的平均溫度基本穩定在沸點溫度(100℃),隨著噴射距離的增長,液滴粒徑也逐漸減小,直至蒸發完畢?還原劑濃度與噴射距離及蒸發時間有關,霧炬隨著煙氣向前擴散並逐漸蒸發,使得還原劑有效覆蓋區域逐漸增加?

通過本文的研究,還獲得了鍋爐的分離器處不同位置截面的還原劑濃度?溫度分布情況?結果表明,當噴槍噴水量為1.67L/min,尿素用量為每台鍋爐83.6kg/h時,還原劑的有效覆蓋區域較大,可以滿足煙氣脫硝效率的指標?但此時氨氮比較高,通過結果分析,可適當降低尿素用量,使得NSR為1.5~2的區域在50%~60%範圍,此時,尿素使用量為60.61kg/h即可?

原標題:SNCR的噴霧與混合過程及其對脫硝效率的影響

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