在燃煤锅炉和垃圾焚烧锅炉的燃烧产物中,氮氧化物(NOx)是危害严重的大气污染物｡2011年发布的《火电厂大气污染物排放标准》中规定燃煤锅炉NOx的排放浓度限值为100mg/m3,而现有燃煤锅炉的NOx排放值大约在600~1200mg/m3｡虽然可以通过低NOx燃烧方式来降低其排放,但仍无法达到日益严格的环保要求,因此,烟气脱硝作为降低NOx排放的最后一个环节,其作用不言而喻｡目前,工程中常用的脱除烟气中NOx的方法包括SCR(选择性催化还原)和SNCR(选择性无催化还原)2种形式,相对于SCR技术,SNCR技术的建设周期短,投资和运行成本低｡
研究结果表明,在温度为850~1100℃条下,SNCR的脱硝效率可高达90%｡但目前运行的SNCR装置中,脱硝效率一般低于50%,其中重要的原因是还原剂与NOx混合不理想｡因此,通过数值模拟的方法,预测还原剂在高温炉膛内的混合情况对SNCR的实际应用有非常重要的意义｡
在SNCR工艺中,NOx的脱除率由多种因素决定,主要包括:反应温度､停留时间､还原剂与烟气的混合程度､还原剂与NOx的摩尔比､NOx初始体积浓度､氧浓度､添加剂的影响等｡
NOx的产生及脱除模型极其复杂,包括众多假设及简化｡其中NOx根据产生机理可分为热力型､燃料型及快速型｡热力型NOx的产生基于Zeldov-ich原理;燃料型NOx是由燃料中的氮裂解成HCN等中间产物,再被氧化成NO｡但在热力型NOx和燃料型NOx的生成过程中,温度､氧浓度､停留时间等均会影响NO的生成｡此外,添加再燃燃料也会影响NOx的生成以及SNCR反应过程｡而NOx与还原剂的反应涉及到207个基元反应,如此众多的方程给数值计算带来了极大的困难,因此需要对其进行简化｡李维成等对SNCR过程的反应进行简化,最终得到12个组分8步总包反应的简化机理,Nguyen等提出简化的7步反应模型,卢志民则对几种反应机理进行对比,并进行敏感性分析,研究各模型预测的准确性,李穹等采用简化的SNCR反应机理研究了温度､氨氮摩尔比等对SNCR脱硝效率的影响｡而NOx与还原剂的反应能否顺利进行与还原剂和烟气的混合程度､停留时间､相变过程以及反应物的浓度有着直接关系,因此,仅从化学反应动力学角度进行研究还不足以准确预测SNCR过程NOx的脱除程度｡Liang等采用实验手段对SNCR过程中的混合过程及停留时间等进行了研究｡为了进一步优化SNCR工艺中还原剂的喷射方案,从而强化还原剂与烟气的混合效果,本文采用数值模拟方法研究SNCR过程中还原剂喷雾､混合和扩散问题,通过计算还原剂的覆盖面积,并考虑氨氮摩尔比估算其脱硝效率;重点研究喷雾过程的影响,得到喷雾粒径､喷雾量､蒸发时间､喷雾距离等对SNCR过程的影响｡
1模型描述及研究方法
1.1研究模型
选择性无催化还原脱硝技术是在没有催化剂的条件下,利用还原剂将烟气中的NOx还原为无害的N2和H2O的过程｡由于需要研究液滴在高温烟气中的相变及扩散过程,必须考虑气液两相(高温烟气与还原剂液滴)的耦合作用｡
在SNCR过程中,实际喷射的还原剂溶液一般为稀溶液(浓度为5%~7%),因此,可用水蒸汽的浓度分布近似表征还原剂的浓度分布｡喷雾量与烟气量相比非常稀薄,可采用Fluent软件中的离散相模型,烟气为连续相,在炉膛内自下向上流动｡还原剂的水溶液为第二相,还原剂以液滴的形式喷入炉膛与烟气混合､换热,并逐渐蒸发和扩散｡由于本文不考虑SNCR过程的化学反应,故选用无化学反应的组分输运模型(speciestransportmodel),考虑液滴的传热方程､蒸发与沸腾方程,忽略热泳力､saffman升力､布朗力,以及粒子辐射力｡由于炉膛中烟气温度较高,需要考虑辐射传热,根据光学深度(αL)选择颗粒的辐射模型(P1)｡
本课题研究烟气的脱硝效率,不研究NOx的产生过程,因此,按照烟气分析仪测得的烟气成分将烟气中的NOx折算成NO｡由于研究过程不包括燃烧过程,建模时可省略布风板以下部分,认为炉膛内流体为均匀的烟气混合物｡前已提及,SNCR的窗口温度为850~1100℃,因此,需将其喷入炉膛内合适的温度处,而省煤器､空预器处温度已不适合SNCR反应,为简化模型,只考虑旋风分离器以前的部分｡根据上述简化建立的计算模型见图1｡网格划分原则上需兼顾计算精度及计算时间,通过在重点研究的位置加密网格(喷雾位置),最终划分网格数863280个｡
1.2边界条件
根据锅炉运行工况,设定壁面为绝热,入口类型为质量入口,烟气的质量流量为71.83kg/s,温度为905℃｡出口类型为压力出口｡根据选用的喷枪型号,确定离散相液滴喷水量､液滴喷射速度､液滴雾化粒径等几个参数｡其中,液滴由锥形喷枪喷入流场,喷嘴雾化角为30°,单个喷嘴喷水量为0.0278kg/s,假设液滴粒径符合Rosin-Rammler分布,液滴粒径范围为20~100μm､20~150μm和20~200μm3种规格,中径为59μm,液滴粒径分布指数为3.5｡
2CFD模型模拟结果
对循环硫化床锅炉而言,最适合喷入还原剂的位置是在旋风分离器入口处,此处温度处于SNCR的窗口温度范围内,并且由于面积狭小,有利于还原剂的完全覆盖,可提高脱硝反应效率｡如图2所示,在该位置高度方向对称布置5层喷嘴｡
