垃圾焚燒爐SNCR脫硝反應條件的模擬研究

李海波，柴 彬

(天津渤海環保工程有限公司 天津300300)

在煙氣處理工程實踐中，因選擇性非催化還原(簡稱 SNCR)脫硝技術具備投資少、建設周期短等優勢，被廣泛應用于生活垃圾焚燒領域。SNCR脫硝技術的脫硝效率在實驗研究與工程應用方面差異較大，實驗研究過程中，還原劑與氮氧化物可以充分反應，能夠實現的脫硝效率為60%～70%，甚至70%以上，但是在工程實際運行中，SNCR的脫硝效率[1]只能達到40%～60%。SNCR脫硝反應主要包括還原劑蒸發過程與化學反應過程[2]，Jenkins等[3]通過研究 SNCR脫硝技術中還原劑的噴射軌跡已能夠模擬 SNCR脫硝還原劑蒸發過程；固體生活垃圾在燃燒過程中，焚燒爐內會進行劇烈而復雜的化學反應流動過程，這使得還原劑的反應過程具有很強的不確定性。因此，優化脫硝反應的化學反應條件是提高 SNCR脫硝效率的重要方向。

本文運用流體動力學模擬軟件 ANSYS Fluent(14.0)對 500t/d垃圾焚燒爐 SNCR脫硝過程進行數值模擬，建立焚燒爐內脫硝過程中運用的數學模型，從理論模型角度分析脫硝實驗過程的網格劃分和邊界條件，對焚燒爐內 SNCR脫硝反應條件進行模擬分析，考察反應溫度、氨氮摩爾比、NO 初始濃度、氧氣濃度以及停留時間等反應條件對 SNCR技術的脫硝效率和氨逃逸的影響情況。

1 模擬條件

1.1 網格劃分和邊界條件

SNCR技術應用所需的溫度場、組分場及流場主要分布在垃圾焚燒爐上爐膛[2]。本文通過模擬計算脫硝反應過程的各個因素，考察這些因素對 SNCR技術的脫硝效率和氨逃逸的影響情況。垃圾焚燒爐的物理模型如圖 1所示，在不影響計算速度的情況下，適當提高網格質量和密度，采用結構化的四面體網格布置，對爐排移動方向、二次風入口和流場運動方向等區域進行局部網格優化和加密，以確保對物性參數變化較大區域的模擬精度。為減少計算工作量，更準確地將 SNCR反應過程各參數變化情況模擬出來，本文在三維物理模型上截取二次風入口以上部分作為 SNCR模擬的研究區域。圖 1焚燒爐中心縱截面的網格示意圖方框所截取部分為 SNCR模擬區域，在計算過程中，計算區域的起始點取爐膛高度 8m處，截止于爐膛高度為 17m 的煙氣排放口，這樣截取可以大為減少網格數量，節省模擬計算時間。

圖1 垃圾焚燒爐三維物理模型與網格劃分Fig.1 3D physical model and mesh division of waste incinerator

在 SNCR模擬計算過程中，采用天津市某垃圾焚燒廠日處理能力為 500t/d機械爐排生活垃圾焚燒爐8m水平截面處的氣體溫度、速度矢量和氣相組分分布情況作為邊界條件，入口仍然使用速度邊界條件，煙氣出口使用壓力邊界條件，其中氣相組分只考慮焚燒煙氣中的 O2、CO2、N2、NO 和 H2O，不考慮其他影響較小的組分。焚燒爐入口邊界處煙氣中各氣體濃度如表1所示。

表1 邊界入口處煙氣中各氣體濃度Tab.1 Concentration of each gas in flue gas at boundary inlet

其余計算條件參數分別為：氨氮摩爾比 1.5、噴槍標高為 13m、還原劑噴射速度為 45m/s、霧化粒徑150μm、霧化角度40°。按照前墻布置4個噴槍，后墻布置4個噴槍，左墻布置2個噴槍，右墻布置2個噴槍的排布下噴射。

1.2 焚燒爐內SNCR脫硝過程數學模型

SNCR脫硝模擬過程中使用的湍流模型、輻射換熱模型使用標準k-ε雙方程模型和P-1輻射模型，其中湍流模型應使用漩渦耗散化學反應模型，還原劑在氣相的噴射流動分別采用離散相模型和組分運輸模型，壓力-速度耦合方程使用SIMPLE算法解出，氣相中各組分和還原劑的離散為二階迎風模式。其中脫硝效率按照入口與出口處氮氧化物濃度的差值和入口處氮氧化物的濃度百分比，氨逃逸標準一般按照垃圾焚燒廠實際運行標準，不應超過4.5mg/mL。

2 模擬結果分析

2.1 溫度的影響

SNCR脫硝反應中，溫度窗口的大致范圍是850～1000℃[4]，通過模擬計算焚燒爐內溫度對脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況，選取最合適的反應溫度，模擬結果如圖2所示。

圖2 溫度對脫硝率和氨逃逸的影響Fig.2 Effect of temperature on denitration rate and ammonia escape

在圖 2中，橫坐標表示溫度值，左縱坐標表示脫硝效率，右縱坐標表示氨氣逃逸量。從圖中可以看出，溫度與脫硝效率以及氨氣逃逸量之間存在一定的相關性。在溫度低于 920℃范圍內，脫硝效率與溫度呈正相關關系；當溫度超過 920℃，脫硝效率與溫度呈負相關關系。而氨氣逃逸量隨著溫度上升在不斷地下降，直至溫度上升到接近 1000℃，氨氣逃逸量接近1mg/mL以下。這是由于在氧氣充足的條件下，爐膛中噴入的還原劑 NH3既能和 NO發生反應，也可能被氧氣氧化。隨著爐膛內溫度的升高，過高的能量使得氧化反應的反應活化因子增加，NH3還原 NO的反應速率增加，同時還原劑被氧氣氧化的速率也迅速升高，當溫度升高到一定值還原劑被氧化速率超過了還原劑還原 NO的速率，NO的濃度開始上升，并隨著溫度的升高而不斷地升高，因此在溫度低于920℃范圍內，以還原反應為主導；在溫度超過920℃，還原反應飽和，氨與氧氣的反應程度逐漸提高。這與 Hatamipour等[5]分析計算的焚燒爐內煙氣溫度與脫硝效率的結論一致。其中氨氣逃逸量數值模擬結果在趨勢上與中試實驗數據較為吻合，其絕對值與實際試驗鍋爐實測值比較接近，可見利用流體力學軟件模擬對于實際設備的 SNCR氨逃逸預測是較為準確的。

2.2 氨氮摩爾比的影響

氨氮摩爾比(氨氮比，NSR)指脫硝過程中氨氮當量的比值，是影響脫硝效率的主要因素之一。不少學者的研究顯示，氨氮比過小或過大都會對脫硝效率產生影響[6]。因此，模擬計算還原反應中不同氨氮比對脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況，具有很大的實際意義。圖3是不同氨氮比與脫硝效率的關系曲線。

圖3 NSR對脫硝率和氨逃逸的影響Fig.3 Effect of NSR on denitration rate and ammonia escape

從圖3可以看出，氨氮比與脫硝效率呈現正相關關系，隨著氨氮比的比值增加，脫硝效率在不斷提高。但氨氮比在 0.8～1.6的范圍內，曲線的變化幅度較大；在 1.6～2.0范圍內，曲線的變化幅度趨于平緩。在特定溫度下，氨氮摩爾比提高會導致還原劑用量增加，未反應的還原劑隨之增多，導致氨逃逸量的增加。因此，需要控制氨氮摩爾比在合理的范圍內。隨著氨氮比的不斷上升，氨氣逃逸量在逐漸增加，而且增加的幅度在不斷上升。由此可見，雖然氨氮比的增加能夠提高脫硝效率，但是也增加了氨氣逃逸量的濃度，增加運行費用，而且隨著氨氮比值的上升，脫硝效率的增加幅度要小于氨氣逃逸量的增加幅度。Ruiz-Lopez等[7]以一臺實際運行的垃圾焚燒爐為物理模型，計算了氨氮摩爾比對脫硝效率的影響。實驗結果表明，脫硝率隨著氨氮摩爾比的增加而增加，氨氮摩爾比在超過 1.8以后，氨逃逸明顯增加，根據不同的焚燒爐尺寸，氨氮比在1.4～1.7之間是較為合理的脫硝反應配比。綜合以上因素，本文認為并非氨氮比越大越好，SNCR脫硝的較為合適氨氮比為1.6。

2.3 NO初始濃度的影響

關于 NO初始濃度對 SNCR脫硝效果的影響程度，學者們的研究不盡相同。本文的模擬計算中，設定 NO初始濃度的范圍從 100～400mg/mL中選取4組數據來研究 NO初始濃度對脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況。模擬結果如圖4所示。

圖4 氮氧化物對脫硝率和氨逃逸的影響Fig.4 Effect of nitrogen oxides on denitration rate and ammonia escape

NO初始濃度從 100mg/mL升高到 300mg/mL時，NO初始濃度與脫硝效率之間呈現正相關關系，脫硝效率隨著NO初始濃度的上升而提高，出口NO濃度也隨著NO初始濃度的上升而提高，但其上升幅度要小于脫硝效率隨著 NO初始濃度上升的幅度。NO初始濃度從300mg/mL升高到400mg/mL時，脫硝效率隨著NO初始濃度的上升而下降，出口NO濃度也隨著 NO初始濃度的上升而下降，但變化不大。Muzio等[8]的研究表明，保持其他變量不變，NO初始濃度小于400mg/mL時，NO初始濃度與脫硝效果之間無相關性；但是 Robin等[9]的研究卻發現隨著 NO初始濃度下降到 175mg/mL時，脫硝效率也隨之下降。這是因為在保持氨氮比不變情況下，脫硝反應達到化學平衡的最低排放 NO濃度并不會隨著 NO初始濃度的變化而變化。

2.4 氧氣濃度的影響

從 SNCR脫硝反應的化學機理可知，O2濃度是脫硝反應中的重要元素。不同學者對 O2濃度在脫硝反應中的影響程度進行了研究。Lyon[10]的實驗研究結果表明，在缺氧的條件下，SNCR脫硝反應不會發生，但氧氣濃度過高會降低脫硝效率。

本文的模擬計算中，設定O2濃度的范圍從2%～10%來研究 O2濃度對脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況，模擬結果見圖 5。可以看出，O2濃度與脫硝效果以及氨氣逃逸量之間存在負相關性，隨著 O2濃度的不斷上升，脫硝效果在逐漸下降，氨氣逃逸量在逐漸降低。O2濃度在2%～6%范圍內，脫硝效果和氨氣逃逸量變化都不大。因為 SNCR脫硝反應是由還原與氧化2種反應協同作用的化學反應過程，氧氣濃度的增加，并不是單純促進單一反應進行，而是促進氧化反應與還原反應同時進行，而且在反應的同時，溫度窗口隨著上述反應的進行開始有所下降，進而氧濃度的增加促使氧化反應的強度大于還原反應，從而導致脫硝效率下降。但從圖 5分析可知，煙氣中氧氣濃度對NO的還原影響很小，說明還原劑的脫硝系統對 NO 的還原具有很強的選擇性。Kasuya等[11]的研究進一步證明了 Lyon的研究，并進一步發現氧濃度的上升會促使反應溫度下降，進而降低脫硝效率，但該影響效果較小。因此，可認為實際過程中煙氣中氧氣濃度對SNCR脫硝效率影響不大。

圖5 氧氣濃度對脫硝率和氨逃逸的影響Fig.5 Effect of oxygen concentration on denitration rate and ammonia escape

2.5 停留時間的影響

停留時間是 SNCR脫硝反應充分進行的關鍵因素。圖6是停留時間從0.1～1s時對脫硝效率以及氨氣逃逸量的影響情況。

圖6 停留時間對脫硝率和氨逃逸的影響Fig.6 Effect of retention time on denitration rate and ammonia escape

從圖6可以看出停留時間與SNCR脫硝效果之間的非線性關系：隨著停留時間的增加，脫硝效果隨之增加；但當停留時間達到0.4s左右，脫硝效果的增速開始變得平緩且不明顯。這是因為 SNCR脫硝反應中的氧化反應和自身還原反應趨于飽和，使其效果變得不明顯。在實際工程中，噴槍噴入的還原劑需要充足的反應時間以及還原劑的升溫過程蒸發與分解過程，都需要足夠的時間[4-7]。因此，還原劑在垃圾焚燒爐膛內停留足夠的時間才能保證理想的脫硝效率。

3 結 論

通過本文的數值模擬與優化結果可知，最合適的脫硝反應條件為爐膛反應溫度 940℃、氨氮摩爾比1.6；其中氧氣濃度對脫硝效率影響較小，而氮氧化物濃度和還原劑停留時間對脫硝效率影響較大。因此該模擬計算結果對 SNCR脫硝技術的工程應用提供了一定的理論基礎。