2.3炉膛内不同截面还原剂浓度和温度分布
脱硝过程通常使用的还原剂包括液氨､氨水和尿素,与前两者相比,尿素使用过程的安全性容易保证｡用尿素作为还原剂时,总包反应为:
由公式(2)可知,理论的氨氮摩尔比为1,而根据公式(1),尿素与氨的比例为1∶2,所以还原剂尿素与NO的摩尔比为1∶2｡
定义:NSR=还原剂与入口NOx的实际摩尔比/还原剂与入口NOx的化学计量摩尔比｡
尽管从理论上来讲,提高NSR有利于提高SNCR工艺的脱硝效率,但过高的氨氮摩尔比会导致较大氨逃逸率｡而相关研究表明,当NSR达到1.5时,相应的脱硝率可以达到90%｡因此,建议根据实际的烟气量和NOx浓度调整还原剂的喷射量｡将NSR为1.5~2的区域控制在50%~60%范围内,即可同时实现NOx的脱除率和控制氨逃逸指标｡
脱硝效率也称NOx脱除率,其计算方法如下:
式中:C1为脱硝系统运行时脱硝装置入口处烟气中NOx含量(mg/m3);C2为脱硝系统运行时脱硝装置出口处烟气中NOx含量(mg/m3),均指标准状态｡
循环流化床锅炉中,NOx含量为500mg/m3,若要求烟气出口NOx含量为200mg/m3,则每标准立方米需脱除300mg的NOx｡
将其在905℃换算到工况条件下的摩尔浓度为:2.32×10-3mol/m3｡当NSR=1.5时,得到还原剂尿素用量为1.74×10-6kmol/m3｡
该设备单台锅炉的尿素耗量小于83.6kg/h,而单个喷枪喷液量为1.67L/min,共有10个喷枪,因此,得到水中尿素含量为2.4%｡将还原剂折合成水的含量为:7.25×10-5kmol/m3｡因此,只要区域内H2O的摩尔浓度大于7.25×10-5kmol/m3皆为有效覆盖面积｡
为研究还原剂的覆盖情况,在旋风分离器入口处沿气流方向选取4个断面,各断面与旋风分离器及喷嘴相对位置见图6｡在图6的4个截面上,还原剂浓度(等效为H2O的摩尔浓度)见图7｡可以看出,随着雾炬的扩散､蒸发,还原剂有效覆盖区域逐渐增加｡根据该结果,改变还原剂用量,重新计算,可对还原剂用量进行优化｡
3结论
采用数值模拟方法,对选择性无催化还原烟气脱硝过程中的喷雾与混合过程进行了研究,并探讨了该过程对脱硝效率的影响｡烟气脱硝效率与温度､还原剂浓度､覆盖面积､停留时间等有关｡若要实现较高的脱硝效率,还原剂必须喷入合适的温度范围内,因此,炉膛和旋风分离器入口是合适的选择｡根据烟气脱硝的化学计量式,还原剂必须达到一定的浓度方可除去烟气中的氮氧化物,还原剂的有效覆盖面积对烟气脱硝效果影响至关重要,只有还原剂有效覆盖处才可能发生脱硝反应,而还原剂的有效覆盖需要合适的喷雾及混合过程来保证｡在SNCR装置中,还原剂的喷射位置可以设置在炉膛内,但由于该位置还原剂喷射方向与烟气方向垂直,不利于还原剂在喷雾方向的扩散｡若达到相应的喷射距离,势必要增加喷雾液滴粒径,而这也会造成蒸发时间延长,容易造成湿壁｡烟气流速越高,相同粒径下的喷射距离越短,即还原剂覆盖面积越小｡比较理想的是,将喷雾位置设在旋风分离器入口,由于烟气在水平方向运动,可以保证喷雾距离,为不造成湿壁现象,液滴粒径应适当减小｡对于外旋式分离器,当喷雾方向与烟气方向不一致时,可适当增加喷雾粒径,以增加喷射距离｡在此情况下,还原剂的覆盖面积同样受烟气流速度影响｡由于喷雾方向与烟气方向垂直,烟气流速越高,雾炬在宽度方向喷射距离越短,导致有效覆盖面积减小｡
研究了喷嘴喷射的液滴参数对液滴喷射情况的影响｡结果表明,液滴粒径越大,蒸发时间越长,喷射距离也越大,而液滴停留时间与喷射距离基本呈线性关系｡此外,在炉膛高温的影响下,液滴表面的平均温度基本稳定在沸点温度(100℃),随着喷射距离的增长,液滴粒径也逐渐减小,直至蒸发完毕｡还原剂浓度与喷射距离及蒸发时间有关,雾炬随着烟气向前扩散并逐渐蒸发,使得还原剂有效覆盖区域逐渐增加｡
通过本文的研究,还获得了锅炉的分离器处不同位置截面的还原剂浓度､温度分布情况｡结果表明,当喷枪喷水量为1.67L/min,尿素用量为每台锅炉83.6kg/h时,还原剂的有效覆盖区域较大,可以满足烟气脱硝效率的指标｡但此时氨氮比较高,通过结果分析,可适当降低尿素用量,使得NSR为1.5~2的区域在50%~60%范围,此时,尿素使用量为60.61kg/h即可｡