超臨界CFB旋風(fēng)分離器選擇性非催化還原脫硝特性模擬

大氣網(wǎng)訊:0引言

控制NOx排放已成為國際共同關(guān)注的話題。循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度低，可以抑制爐內(nèi)溫度型NOx的生成。某電廠籌備660MW超臨界循環(huán)流化床(CFB)機(jī)組，為達(dá)到更嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，需加強(qiáng)脫硝。選擇性非催化還原(SNCR) 脫硝技術(shù)安裝裝置 少、成本低，SNCR反應(yīng)溫度與CFB鍋爐旋風(fēng)分離器內(nèi)溫度場相適應(yīng)，煙氣流動在1s左右，在旋風(fēng)分離器處加裝SNCR脫硝系統(tǒng)可以達(dá)到 50% 以上的脫硝率，滿足超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

各國學(xué)者對CFB鍋爐在旋風(fēng)分離器處加裝 SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究。楊梅等人在管式反應(yīng)爐上進(jìn)行流化床SNCR脫硝實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)在氨氮摩爾比為1∶1.5，溫度為 920 ℃時，脫硝率可以達(dá)到50%;劉輝等人采用攜帶流反應(yīng)器研究煙氣與脫硝劑流動過程對 SNCR脫硝率的影響，發(fā)現(xiàn)溫度低于 900 ℃ 時，煙氣與脫硝劑流動混合對 SNCR脫硝率影響不大;溫度超過 950 ℃時，煙氣與脫硝劑流動混合成為控制 SNCR反應(yīng)的主要因素， 會降低 SNCR反應(yīng)的脫硝率。以上研究只是針對一般的 SNCR脫硝，而超臨界CFB鍋爐結(jié)構(gòu)大型化，內(nèi)部流場更加復(fù)雜，目前對超臨界 CFB 鍋爐 SNCR脫硝研究還比較少。

本文將 CHMKIN 軟件用于簡化SNCR反應(yīng)機(jī)理，并將簡化機(jī)理與流體動力學(xué)(CFD) 軟件相結(jié)合，對660 MW 超臨界CFB鍋爐SNCR脫硝特性進(jìn)行分析，為超臨界CFB鍋爐 SNCR脫硝實(shí)際運(yùn)行提供有價值的參考。

1計算模型的建立

1.1物理模型

某電廠660 MW 超臨界CFB鍋爐旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示，結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。

1.2網(wǎng)格劃分

使用 Gambit 軟件對旋風(fēng)分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行無關(guān)性檢驗，最后選擇網(wǎng)格數(shù)為943 200，網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

1.3數(shù)學(xué)模型

RSM 模型不再使用各向同渦粘性假設(shè)，對于旋風(fēng)分離器內(nèi)這類流動方向復(fù)雜的模擬有顯著優(yōu)勢。文獻(xiàn)使用 RSM 模型進(jìn)行研究并獲得貼近實(shí)際的結(jié)果。選擇使用 RSM 模型對旋風(fēng)分離器流場進(jìn)行模擬。

QUICK 迎風(fēng)格式不僅具有穩(wěn)定性而且減小了假擴(kuò)散項，采用 QUICK 迎風(fēng)格式可以得到較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果;旋風(fēng)分離器內(nèi)流場為高速旋轉(zhuǎn)流動，使用 PRESTO 壓力插補(bǔ)格式最為合適;為加快收斂，使用 SIMPLEC 壓力 －速度耦合方式;輻射傳熱模型采用 P －1 輻射模型。

1.4邊界條件

還原劑噴入點(diǎn)位置簡圖如圖3 所示。設(shè)底部圓心為零點(diǎn)坐標(biāo)，建立三維坐標(biāo)，噴入點(diǎn)位置如表 2 所示。

在對旋風(fēng)分離器內(nèi)煙氣流場進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行如下設(shè)置:

僅考慮氣相穩(wěn)態(tài)流場，不考慮固體顆粒對 SNCR 反應(yīng)的影響。

設(shè)置煙氣主要組分為 N2、CO2、H2O、O2和 NO，并通過鍋爐熱力計算獲得各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 62.83%、22.79%、9.95%、4.42%和0.01%。

還原劑選擇噴入的是質(zhì)量濃度為 15%的氨水，液滴蒸發(fā)過程通過 DPM 模型進(jìn)行設(shè)置，蒸發(fā)生成氣態(tài) NH3。

SNCR 脫硝效率為:

SNCR反應(yīng)按照反應(yīng)速率劃分為慢反應(yīng)，應(yīng)首先模擬得到煙氣流動過程的收斂解，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行 SNCR 脫硝的化學(xué)反應(yīng)求解。研究表明，此方法可以準(zhǔn)確模擬 SNCR 脫硝特性。

2SNCR 反應(yīng)機(jī)理簡化

FLUENT 動力學(xué)模擬軟件含有 SNCR 脫硝反應(yīng)模塊，該模塊的 SNCR 脫硝反應(yīng)機(jī)理涉及14 種組分，其中包含9 個基元化學(xué)反應(yīng)。表 3 為反應(yīng)模塊的反應(yīng)機(jī)理，反應(yīng) 1 ～ 7 為 SNCR 脫硝機(jī)理，反應(yīng) 8 和9 為尿素分解過程。

然而 FLUENT 中 SNCR 脫硝反應(yīng)模塊不可更改，不能很好地針對復(fù)雜的反應(yīng)環(huán)境; 采用詳盡的 SNCR 脫硝反應(yīng)機(jī)理會影響模擬計算效率。所以合理地簡化 SNCR 脫硝反應(yīng)機(jī)理顯得十分重要。

2.1敏感性分析

靈敏度分析是 CHMKIN 4.1 軟件中自帶的一個強(qiáng)大工具，用于確定反應(yīng)模型中每個反應(yīng)與目標(biāo)組分相關(guān)的程度。敏感性系數(shù)定義為:

針對 CFB 鍋爐旋風(fēng)分離器的反應(yīng)條件，對 NH3、 N2O、NO、NO2、NH2、HNO、 H、 O、OH、 O2、HO2、 H2O、NH、NNH、N、 N2、CO 和 CO218 種組分進(jìn)行敏感性分析，組分的敏感性系數(shù)絕對值小，表明該基元反應(yīng)影響小，刪除對特定問題影響小的那些中間組 分來簡化反應(yīng)機(jī)理。

2.2SNCR反應(yīng)機(jī)理簡化

以 Qyvind Skreiberg 等人詳細(xì)的 SNCR 脫硝反應(yīng)機(jī)理為基礎(chǔ)，使用 CHMKIN 4.1 軟件進(jìn)行簡化，得到簡化機(jī)理如表4 所示。

2.3簡化機(jī)理驗證

在實(shí)驗室條件下開展 SNCR 脫硝反應(yīng)特性實(shí)驗，實(shí)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。

氨氮摩爾比( NSR) 為 1.2，含氧量為 5% 條件下，溫度為850 ～1 050 ℃時，將簡化反應(yīng)模擬結(jié)果、實(shí)驗結(jié)果和 Qyvind Skreiberg 詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5 所示。

由圖 5 可知，三者所得脫硝率隨溫度變化的趨勢是一樣的，脫硝率在950 ℃達(dá)到最高值，反應(yīng)溫度過低會使反應(yīng)速率減慢，導(dǎo)致氨逃逸率升高;反應(yīng)溫度過高會導(dǎo)致氨被氧化而失去脫硝作用，降低脫硝率。實(shí)驗室條件下結(jié)果要高于模擬結(jié)果，這是因為實(shí)驗室條件下儀器尺寸小，反應(yīng)氣體混合程度高。實(shí)驗論證 CHMKIN 4.1 軟件簡化后的機(jī)理可以正確地模擬超臨界 CFB 鍋爐旋風(fēng)分離器 SNCR 脫硝反應(yīng)。

3SNCR反應(yīng)特性

3.1反應(yīng)溫度對脫硝率的影響

溫度是 SNCR 反應(yīng)的控制條件，溫度低反應(yīng)不能進(jìn)行，而溫度高 NH3與 O2發(fā)生反應(yīng)。模擬得到最佳反應(yīng)溫度對實(shí)際運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

圖6 為800 ～1 050 ℃下模擬結(jié)果的變化曲線。從圖6 中可以得到，溫度從 800 ℃增加，SNCR 脫硝效率隨之增加，950 ℃達(dá)到峰值，然后脫硝效率降低，不同 NSR 的變化趨勢是相同的。脫硝率達(dá)到最高點(diǎn)后，溫度繼續(xù)提高，脫硝率降低，分析可知當(dāng)溫 度過高時，NH3會發(fā)生如下反應(yīng):

NH3參與反應(yīng)式( 3) 、式( 4) 的反應(yīng)，導(dǎo)致還原 劑量減少，而反應(yīng)式( 4) 又會生成 NO，增加氮氧化合物的量，最終致使SNCR脫硝率減少。定義反應(yīng)溫窗為脫硝率超過40% 時的溫度范圍，得到反應(yīng)溫窗為850 ～ 1 050 ℃。將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)與在固定床實(shí)驗系統(tǒng)或攜帶流反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)驗的 SNCR 脫硝率相比差別較大，但是與中試試驗或電廠實(shí)測結(jié)果相比差別較小。分析可知，溫度低于 900 ℃時，煙氣與脫硝劑流動混合對 SNCR 脫硝率影響不大，溫度超過950 ℃時，煙氣與脫硝劑流動混 合成為控制 SNCR反應(yīng)的主要因素。實(shí)驗室設(shè)備尺寸小，還原劑與煙氣混合過程簡單，基本可以充分混合，混合程度的影響不是十分明顯;但現(xiàn)場設(shè)備尺寸是實(shí)驗室設(shè)備數(shù)10 倍，還原劑與煙氣混合過程復(fù)雜，混合程度便成為關(guān)鍵因素

3.2NSR 對脫硝率的影響

減少噴入還原劑的量可以節(jié)約成本，但是會導(dǎo)致 SNCR 脫硝率降低，達(dá)不到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。模擬得到最經(jīng)濟(jì)的 NSR 對實(shí)際運(yùn)行具有重大意義。圖7 為不同 NSR 下脫硝率的變化曲線。

從圖 7 中可以看出，當(dāng)溫度低于反應(yīng)溫度窗口 的下限時，NSR 的增加對脫硝率幾乎沒有影響，并 且 NSR 在800 ℃時NDSR 從1 增加到2，SNCR 脫硝 率從16.3%增加到 21.1%，僅增加了 4.8%。溫度繼續(xù)增加后，提升 NSR 可以有效地增加 SNCR 脫硝率，然而，在一定程度上增加 NSR 后，脫硝率增加的趨勢逐漸減緩。反應(yīng)溫度為 950 ℃時，NSR 從 1 增 加到 2，脫硝率從 49.4% 升高到 81.1%，升高了 31.7%，其中 NSR 從1 增加到1.6，脫硝率從49.4% 升高到 74.9%，升高了 25.5%，而 NSR 從1.6增加 到 2，脫硝率從 74.9% 升高到 81.1%，僅升高 6.2%。

將 NSR 對 SNCR 脫硝率影響與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，NSR 對 SNCR 脫硝率的變化趨勢與文 獻(xiàn)數(shù)據(jù)相一致，但是實(shí)驗數(shù)據(jù)一般要比模擬預(yù)測值要高，分析可知這是由于反應(yīng)器尺寸較小，容易得到良好的煙氣與還原劑的混合，而 CFD 模擬模型尺寸接近實(shí)際，尺寸結(jié)構(gòu)較大，煙氣與還原劑的混合程度要比實(shí)驗條件下差。從自由基方面來看，一個 NH2可產(chǎn)生4 個 OH 自由基，使 NH3有充足的 OH 自由基來產(chǎn)生 NH2，NH2進(jìn)行 NH2 + NO 生成 N2和 NH2 + NO 生成 NNH 的鏈反應(yīng)，在 NE = 1.5 左右 時，這兩種鏈反應(yīng)競爭達(dá)到平衡，NSR 再繼續(xù)增加，只能使脫硝率緩慢增加，增加幅度趨于平緩。綜合考慮 SNCR 脫硝率和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性因素，結(jié)合各國學(xué)者的研究，NSR =1.5 較為合適。

3.3氨氣逃逸

NH3逃逸造成了脫硝劑的浪費(fèi)，同時 NH3逃逸會污染環(huán)境。同時鍋爐末尾煙道煙氣含有酸性氣體，與 NH3反應(yīng)生成銨鹽，堵塞后續(xù)設(shè)備，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。確保 NH3逃逸量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)( ≤10 mg/m³) 對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要。圖 8 為不同溫度下 NH3逃逸量的變化曲線。

從圖8 中可以看出，NH3逃逸量在溫度較低時比較大，NSR 減小也隨之減小，溫度是 SNCR 反應(yīng)的控制因素。在 NH3還原 NO 體系中，主要依靠 NH2 來還原NO，其中NH2是通過NH3與OH 和H 基團(tuán)反應(yīng)生成的。OH 基團(tuán)是促進(jìn) NH3轉(zhuǎn)化成 NH2的重要 物質(zhì)，溫度較低時，OH 基團(tuán)生成會被抑制，導(dǎo)致 NH3的還原 NO 體系進(jìn)行不充分，NH3 逃逸量增大;溫度升高，NH3逃逸現(xiàn)象逐漸緩解，反應(yīng)溫度超過930 ℃時，NH3逃逸量滿足國家排放標(biāo)準(zhǔn)，不同 NSR 下，NH3逃逸具有相同的趨勢。這與中試試驗臺和電廠實(shí)測數(shù)據(jù)比較接近，可以證明模擬 結(jié)果可以對 NH3泄漏進(jìn)行較好地預(yù)測。

4結(jié)論

( 1) 超臨界 CFB 鍋爐 SNCR 脫硝反應(yīng)的反應(yīng) 溫窗在850 ～1 050 ℃，脫硝率隨溫度的增加先升高 后降低，950 ℃時達(dá)到脫硝率最高點(diǎn)。

( 2) 在溫度較低時，溫度是控制因素，提高NSR 對提高脫硝率影響不大;在800 ℃下 NSR 從1 提高到2，脫硝率僅提高了4.8%; 溫度提高到反應(yīng)溫窗內(nèi)時，提高 NSR 可以有效提高脫硝率，但提高 NSR 到一定程度，增幅會平緩，實(shí)際運(yùn)行中 NSR =1.5 左右最佳。

( 3) NH3逸出在低溫下更嚴(yán)重，NSR 越大，NH3 逸出越多，隨著溫度的升高 NH3逃逸得到遏制。溫度大于935 ℃時，NH3逸出量小于10 mg/m³。