工業層燃爐Urea-SNCR的數值模擬研究

王志 王夫美 沈伯雄 高洪培 姚燕 梁材

摘要 工業鍋爐普遍應用于多種行業的生產實踐，其氮氧化物的排放是我國大氣氮氧化物污染的重要來源之一。隨著大氣污染排放標準的提高，Urea-SNCR技術成為工業鍋爐脫硝的主流技術之一。Urea-SNCR系統的脫硝效率，與煙道內部構件、噴氨系統、運行參數、煙氣流動條件及氨和煙氣的均質混合等多種因素相關。本文針對某90 t/h層燃爐的二次燃燒室進行SNCR數值模擬，研究噴射位置、噴槍數量、氨氮比（NSR）、噴射速度及還原劑顆粒粒徑等因素對SNCR脫硝效率的影響及其影響規律。結合響應面法，進行SNCR系統布置最優設計，得出在噴槍數為10個、還原劑噴射高度在3 m、NSR=2、噴射速度為82 m/s和顆粒粒徑為60 μm時，脫硝效率最高為30%。研究成果有助于工業用層燃爐SNCR脫硝系統的改造和優化。

關 鍵 詞 層燃爐;SNCR;數值模擬;氮氧化物;最優設計

中圖分類號 TK229.6;X701 ? ? 文獻標志碼 A

Abstract Industrial boilers are widely used in various industries. The nitrogen oxides generated from industrial boilers is an important source of atmospheric nitrogen oxides pollution in China. With the improvement of air pollution emission standard， Urea-SNCR technology became one of the mainstream denitrification technologies for industrial boilers. However， the denitrification efficiency of SNCR system is driven by various factors， including its internals， ammonia injection system， operation parameters， flue gas flow conditions， and homogeneous mixing of ammonia and flue gas. In this paper， SNCR numerical simulation was carried out for the secondary combustion chamber of a 90 t/h layer burning burner. The influence and optimal design of SNCR system were carried out based on the factors affecting SNCR denitration efficiency， such as injection location， number of spray guns， ammonia nitrogen ratio， injection speed and reducing agent particle size. Based on the response surface method， the maximum denitration efficiency was 30% when the number of spray guns was 10， the height of reducing agent injection was 3 m， NSR=2， the injection speed was 82 m/s and the particle size was 60 μm. The research results are helpful to the transformation and optimization of SNCR denitration system for industrial layer burner.

Key words layer burner; SNCR; numerical simulation; nitrogen oxides; the optimal design

0 引言

工業鍋爐是我國重要的熱能動力設備，目前全國在用工業鍋爐達52.52萬臺，其中層燃鍋爐占70%左右，年耗煤量占全國原煤產量的三分之一，是僅次于電站鍋爐的耗煤大戶[1-2]。工業鍋爐燃燒過程中排放出大量的污染物，是我國大氣污染的重要污染源之一。目前，工業鍋爐氮氧化物（NOx）排放控制多采用低氮燃燒技術[3]，但是隨著我國對大氣污染物排放控制越來越嚴格，2019年9月30日生態環境部在工業鍋爐污染防治可行技術指南（征求意見稿）中明確提出對小型層燃鍋爐NOx污染物的排放進行嚴格控制，因此，傳統的單一的低氮燃燒技術難以滿足達標排放[4]。選擇性非催化還原（SNCR）技術由于其占地面積小、投資成本和運行成本相對較小等優點[5]，在工業鍋爐中應用廣泛。

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics， CFD）可以模擬流體流動、多相流和化學反應等。應用于SNCR脫硝系統中可以計算溫度分布、各組分濃度分布等，并在此基礎上確定反應溫度窗口[6-9]，優化還原劑噴入位置和噴入量[10]，使還原劑與煙氣中 NOx 在SNCR溫度窗口內混合均勻，達到最優的脫硝效率。越來越多的學者[11-12]利用數值模擬方法研究高溫煙氣中的SNCR脫硝過程，為改進和優化SNCR系統提供可靠的指導。Nguyen等[13]將SNCR過程的CFD模擬結果與試驗結果對比，表明二者的脫硝過程，與溫度、氨氮比（NSR）的變化和氨泄漏的規律上具有一致性。Kang等[14]將優化的SNCR反應機理與CFD軟件結合，對超臨界循環流化床鍋爐的SNCR脫硝過程進行模擬計算，確定了SNCR脫硝反應的溫度窗口，并得出該鍋爐最優氨氮比為1.5。Xia等[15]提出了移動爐排垃圾焚燒爐床內垃圾轉化、床外氣體燃燒和SNCR過程的綜合仿真模型，但只是對還原劑注射位置、注射速度及NSR單獨進行比較，未考慮這些因素的相互作用。胥波等[16]對一臺工業用鏈條爐中加入CH4的SNCR過程進行模擬，并與常規SNCR過程進行對比分析，認為加入適量CH4可提高脫硝效率。但由于其在爐拱處噴射還原劑，爐拱處煙氣流速過大導致常規SNCR脫硝效率不高。Modlinski等[17]采用兩種不同的SNCR反應機理在一臺40 WM的鏈條爐對SNCR進行模擬計算，并對兩種不同機理的預測精度進行評價，但文中只對特定SNCR脫硝過程進行模擬計算，模擬參數較為單一。國內外學者采用CFD模擬技術對SNCR過程已展開了許多研究工作[18-20]，但缺乏對工業鍋爐SNCR脫硝系統中多個影響因素的綜合對比討論，以及缺少最高脫硝效率的優化參數。為此，本文針對小型工業層燃鍋爐中的脫硝過程進行模擬計算，探究在小蒸發量、低煙氣流速的環境下，液滴粒徑、尿素噴射位置及噴射速度對SNCR過程的影響，同時采用響應曲面法結合數值模擬結果為中小型工業鍋爐SNCR脫硝系統提出優化措施。

3.2 基于響應曲面法的SNCR脫硝參數優化

為了進一步研究各個因素對SNCR脫硝效果的影響，本文采用Box-Behnken實驗設計和響應面法（RSM） 進行研究[32]，主要包括NO脫除效率的氨氮比NSR、噴射速度和平均粒徑大小3個主要因素的優化和交互作用研究。以脫除效率（Yt）為影響值，氨氮比（X1）、噴射速度（X2）、平均粒徑（X3）為參考因素，Box-Behnken試驗因素水平見表3，共得到17組模擬試驗方案。在原邊界條件和噴射位置的基礎條件下，按照各組選取的因素水平通過模擬計算完成各組試驗，得到結果如表4所示。

對表4中的模擬試驗結果進行擬合，得到二次多項式形式的經驗公式：

式（4）中一次項前面的系數都為正，說明NSR、噴射速度、顆粒粒徑的提高與NO脫除效率存在一定的正相關性。對上述回歸方程進行方差分析，結果見表5。模型F值為14.48，說明該模型具有顯著性。在模型的一次項中氨氮比、噴射速度及顆粒粒徑顯著性水平較高，二次項中[X1]和[X2]的P值遠遠小于0.05，說明氨氮比和噴槍噴射速度對脫硝效率的影響顯著;[X1X2]的P值小于0.05，反映出氨氮比與還原劑噴射速度具有較強的相互作用，即對脫硝效率影響更大。

采用響應曲面法進一步分析影響脫硝效率3個因素的相互作用及最優水平。NSR、還原劑噴射速度及還原劑顆粒粒徑交互作用對脫硝效率的響應曲面及相應的等值線圖如圖11～圖13所示。結果表明，響應曲面凸出，說明最優條件是確定的，氨氮比小于2時試驗范圍內存在一個最大的脫硝效率。圖11所示，NSR小于1.75時噴射速度在50～90 m·s-1的范圍內，噴槍噴射速度越大脫硝效率越高;NSR在1.75～2之間時，脫硝效率隨著噴槍速度的增加呈先增大后減小的趨勢。這是由于在還原劑較少時噴射速度過小導致噴槍穿透力較小，從而使還原劑分布不均;還原劑較多時，噴射速度過大會使還原劑在噴槍布置的另一側聚集，同樣造成還原劑分布不均。從圖12可知在氨氮比大于1.75的情況下顆粒粒徑在45～90 μm范圍內呈先增后減的趨勢。這是由于顆粒粒徑過小，導致尿素顆粒穿透力小進而導致還原劑分布不均;而尿素顆粒較大會在其未完全蒸發前已脫離SNCR反應溫度窗口。雖然增大NSR能提高脫硝效率，但是為了控制氨逃逸，宜選擇將氨氮比控制在2以內。圖13a）是一個完整凸面，說明在噴射速度和顆粒粒徑范圍內存在最優值。圖13b）所示脫硝效率隨著噴射速度和顆粒粒徑在較低范圍內的增加而有所提升，繼續增加脫硝效率反而下降。根據響應曲面的分析，當氨氮比為2，噴射速度為82 m·s-1，尿素粒徑為60 μm時脫硝效率預測量最大為29%。為了進一步驗證最優預測值的準確性，采用最優參數進行數值模擬驗證，最后所得出口NO平均濃度為1.38×10-4，脫硝效率為30%，氨逃逸量為4.9×10-5，誤差在5%以內，驗證了模型的可靠性，NO濃度分布如圖14所示。

4 結論

本文利用CFD模擬計算了工業層燃爐中SNCR過程的還原劑噴射位置、NSR、噴射速度、還原劑顆粒粒徑對脫硝效率的影響。通過分析鍋爐爐膛和煙道區域的溫度分布，確定了還原劑的噴射位置和噴槍數量，并根據還原劑尿素分解機制研究煙道中NH3分布的均勻性，進一步優化噴槍布置。在此基礎上通過響應面法，確定了SNCR脫硝系統最優設計參數。主要研究結論如下：

1）在SNCR系統中，前墻噴槍與側墻噴槍在SNCR溫度窗口內布置位置存在一定高度差（500 mm）可使還原劑分布更均勻。

2）NSR小于1.75時，增大還原劑噴射速度，增大還原劑粒徑可提高脫硝效率。當NSR = 1.75時，在50～80 m·s-1的范圍內增大噴射速度，在45～60 μm內增大還原劑顆粒粒徑，可提高脫硝效率。

3）通過響應面法，確定了脫硝系統最優設計參數，最終得出在試驗條件下氨氮比為2，噴射速度為82 m·s-1，尿素粒徑為60 μm時，脫硝效率最大為30%，氨逃逸量為4.9×10-5。

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