廢液焚燒爐SNCR脫硝性能影響因素的數值模擬研究

祝鑫陽，羅俊偉，2

（1.武漢武鍋能源工程有限公司，湖北 武漢 420223；2.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

廢液焚燒爐能通過高溫燃燒實現廢液無害化和減量化而被廣泛應用。由于廢液含水量一般在50%以上，熱值較低，通常采用天然氣或重油為備用燃料進行伴燒以保證足夠的燃燒強度［1］。在天然氣或重油燃燒器高溫區附近會形成熱力型NOx，而石化醫藥行業常見的己內酰胺（C6H11NO）、二硝基酚鈉（C6H3N2NaO5）等含氮有機廢液燃燒后還會形成燃料型NOx。GB 18184—2020《危險廢物焚燒污染控制標準》中要求氮氧化物排放質量濃度低于250 mg/m3（干態，11%O2），中部和沿海發達地區標準更高，甚至要求低于50 mg/m3的超低排放［2］。為了滿足環保排放要求，選擇性非催化還原（Selective Non ?Catalytic Reduction，SNCR）脫硝技術作為煙氣氮氧化物的控制手段，具有效率高、操作費用低且易于與其他NOx控制技術聯合應用等優點［3-4］。

考慮到廢液鍋爐伴燒天然氣產生的運行成本，一般將爐膛主燃區的溫度控制在1 200～1 400 ℃，低于煤粉、燃油和燃氣鍋爐主燃區的溫度。此外，為避免廢液燃燒后產生的鈉鹽（Na2CO3）飛灰以熔融態附著在水冷屏受熱面上而出現傳熱惡化現象，爐膛的出口溫度一般控制在800 ℃左右，低于碳酸鈉851 ℃的熔點。廢液鍋爐多采用立式水冷膜式壁結構，具有占地小、投資低的優勢，但煙氣溫降速率較大，煙氣在最佳溫度窗口850～1 100 ℃內的停留時間及區間均小于煤粉爐和油氣爐，這使得廢液鍋爐的SNCR工藝參數的選擇要更加嚴格和精準。

目前專門針對廢液焚燒爐SNCR 脫硝工段參數的研究幾乎沒有，因此，廢液焚燒爐上的SNCR 脫硝噴槍采用四面錯沖布置時，有必要采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）模擬分析該形式下液滴粒徑和噴射速度對脫硝效果的影響，為優選出高效的脫硝噴槍提供參考。

1 模擬對象與方法

1.1 模擬對象的幾何尺寸

模擬的對象為某公司設計生產的廢液焚燒爐，其皂化廢堿液處理量為15 m3/h。如圖1 所示，爐膛SNCR 區域一共配置有8 支噴槍，采用前后左右四面墻各兩支的墻式錯沖布置方式，其標高為19.8 m，氨水由噴槍從水冷壁面噴射進入爐膛。為減少計算時間成本，截取標高為17.3～22.3 m 的區域（即噴槍位置上下各2.5 m的區域）作為SNCR反應區。

圖1 氨水噴槍布置

如圖2 所示，將SNCR 反應區域看作一個橫截面為4.07 m×4.07 m，高度為5 m 的長方體，并選取z=0平面作為實際脫硝噴槍（標高為19.8 m）所在的平面。廢液焚燒爐運行中，煙氣沿著z軸向自下而上流動，還原劑則分別從前、后墻沿x軸或從左、右墻沿y軸噴入，與高溫煙氣形成交叉射流。

圖2 計算模型

1.2 模擬方法

由于計算域是4.07 m×4.07 m×5 m 的空腔，其結構較為簡單，故直接對模型進行六面體結構化網格劃分，最終網格數為384 000。

由于爐膛內氣流成分與空氣相差不大，且物理性質相似，在模擬過程中用高溫空氣代替實際過程中的高溫煙氣，又因為實際噴射的還原劑溶液一般為稀溶液（氨質量分數為5%～10%），稀氨水溶液與水的各項物理特性相差不大，因此，可用水蒸氣的濃度分布近似表征還原劑的濃度分布［5-6］。根據鍋爐理論計算煙風量約48 000 m3/h，換算成煙氣（高溫空氣）的流速為3.285 m/s，還原劑射流均從z=0 的平面進入，且單只噴槍流量為35 kg/h，流速度為20 m/s，平均粒徑為300 μm，粒徑符合uniform 分布，霧化角為35°，射流出口直徑近似看作直徑為0.004 m 的圓形噴口。不考慮氣體霧化作用，還原劑以液滴的形式進入熱氣流。

廢液焚燒爐內的氣流流向總體上保持自下而上，不需要考慮渦流和旋流修正，采用標準k-ε 湍流模型。液滴與煙氣的混合存在傳熱過程，需要考慮能量交換。模型中煙氣的初始溫度設定為860 ℃，需要考慮輻射換熱，根據光學厚度較大選擇P-1 輻射模型［7］。著重研究液滴的相變及氣液的混合過程，模擬過程中不考慮化學反應，因此選用無反應的組分輸運模型。離散型模型中忽略熱泳力、saffman（薩夫曼）升力、布朗力以及粒子輻射力。液滴由錐形射流源（即三維的中空射流源）進入流場。本鍋爐是工作壓力1.27 MPa、蒸汽溫度為194 ℃的飽和蒸汽鍋爐，故計算中設壁面溫度為200 ℃，入口類型為速度入口，出口類型為壓力出口，壓力為常壓，并設置為escape（逃逸），考慮重力影響因素［8］。

1.3 SNCR脫硝性能評價指標

研究表明除停留時間和NSR（NH3與NOx的摩爾比）外，還原劑的噴射霧化、與煙氣的混合狀況是影響SNCR 脫硝效率提高的關鍵因素［9-10］。當NSR 小于0.1 時，脫硝率很低，NSR 大于1 時，脫硝率可以達到50%以上，將NSR 大于1 的區域視為脫硝率較好的區域，并定義為中心區。顯然，中心區面積越大，脫硝效果越好。此外，NH3與煙氣混合程度越充分，SNCR 脫硝效果也越好。反應區液滴蒸發完全粒子數、中心區（NSR 大于1 區域）面積和變異系數wv將作為評價SNCR脫硝性能的指標。

1.3.1 中心區面積計算方法

已知該項目氨水溶液氨的質量分數約為10%，模擬過程中用水蒸氣的濃度分布近似表征還原劑的濃度分布，兩者關系式為

由式（1）可知：

式中：φNH3為氨體積分數，%；φH2O為水蒸氣體積分數，%；M0為對象焚燒爐內氨水（NH3·H2O）的噴射量，kg/h；M1為對象焚燒爐內水的噴射量，kg/h。

本焚燒爐擬定的脫硝系統煙氣中NO 初始質量濃度為300 mg/m3，換算成體積分數為2.24×10-4，當NSR 值取1 時，對應的NH3的體積分數為2.24×10-4，此時水蒸氣的體積分數為3.733×10-3，即水蒸氣體積分數大于3.733×10-3的區域視為中心區。

1.3.2 變異系數wv的定義

為了解不同粒徑液滴工況下水蒸氣與煙氣在還原區的混合狀況，將對水蒸氣的質量分數進行定量分析。采用變異系數wv這一參數作為衡量濃度均勻性的標準，并將其定義為：

式中：wd為水蒸氣質量分數的標準偏差；wa為水蒸氣質量分數平均值；變異系數wv越大，標準偏差與平均值偏差越大，水蒸氣分布均勻性也越差。

2 數值計算與分析

2.1 液滴粒徑的影響分析

液滴的粒徑過大可能導致蒸發時間過長甚至無法在反應區域蒸發完全，過小則易在爐墻四周迅速蒸發析出聚集的NH3氣體，造成金屬管堿腐蝕，因此在噴槍采用四面墻布置的情況下，通過調整噴射液滴的粒徑，可研究噴射速度v=20 m/s時，100～400 μm范圍內的液滴直徑對脫硝性能的影響。

模擬過程中假設每支噴槍均能產生100 股粒子射流，8 支槍總共可產生800 股粒子射流，入射的液滴碰到壁面發生反射并繼續運動，直至達到出口還未完全蒸發視為逃逸。通過CFD 模擬軟件的樣本軌跡計算功能可對離散（液滴）相進行追蹤統計，如表1 所示，當液滴粒徑改變時，計算域中蒸發完全的粒子數和逃逸（未蒸發完全）的粒子數均不相同。液滴粒徑越大，蒸發完全的粒子數就越少，當粒徑d<200 μm 時，所有液滴在計算域中均能蒸發完全；而當粒徑d=400 μm 時，液滴顆粒在計算域中幾乎都沒有蒸發完全。因此，過大的粒徑不利于水蒸氣的迅速蒸發和氨氣的快遞釋放，從而也將影響氨水在反應區對NOx的還原作用。

表1 不同粒徑下液滴的蒸發完全及逃逸情況

為進一步了解不同粒徑液滴在反應區的混合狀況，截取了z=0、z=0.5 m、z=1 m 及z=1.5 m 四個截面水蒸氣的質量濃度分布云圖。從圖3 中可以看出，當粒徑不變時，隨著z的增大即液滴射流沿煙氣不斷地深入，水蒸氣的質量分數截面上的分布區域逐漸加大，且每個截面均存在一個水蒸氣質量分數相對較高的區域，稱之為“反應核心區”。

圖3 不同橫截面水蒸氣的質量分數分布云圖

當截面位置相同時，隨著粒徑的增加，反應核心區逐漸從靠近墻壁的位置向爐膛中心處發展。從圖中還可以看出，粒徑d=100 μm時，z=0、z=0.5 m、z=1 m及z=1.5 m 四個截面的反應核心區均靠近前后左右墻，這說明粒徑較小的液滴顆粒一經噴槍噴出就被高溫煙氣迅速蒸發，過早地蒸發完全既不利于氨水與煙氣在爐內充分地接觸，且會因為距離墻壁較近而腐蝕水冷壁。而當粒徑d=400 μm 時，z=1 m和z=1.5 m 截面的反應核心區雖然都集中在爐膛中心，但此時絕大部分的粒子還未蒸發完全，所以反應區整體水蒸氣質量分數較低，且其分布區域的面積也較小。因此，液滴粒徑過小（100 μm）或過大（400 μm）均不利于還原區氨水與煙氣的混合與反應。

不同粒徑工況下各截面中心區面積的比例如圖4所示。總體上看，不同粒徑液滴隨著煙氣流向（z向）不斷蒸發，其中心區面積占比均逐漸增加，且粒徑越大，增加幅度越大。當粒徑從100 μm 增加到400 μm 時，中心區面積的占比呈下降趨勢，但d=100～300 μm時，這種降幅并不明顯，而d=400 μm時，中心區面積急劇下降，這可能是由于d=400 μm 時絕大部分液滴未蒸發完全（逃逸），導致反應區整體水蒸氣濃度較低，這種解釋可由表1中的數據得到驗證。

圖4 不同粒徑工況下各截面中心區面積的比例

粒徑為100 μm 和200 μm 液滴工況下水蒸氣在各截面的變異系數wv如圖5 所示，無論哪個截面上，d=200 μm 的液滴蒸發形成的水蒸氣的變異系數wv均小于100 μm，且這種差距在z<1 m 更加明顯。這說明d=200 μm 時，水蒸氣與煙氣的混合更充分，分布也更均勻。

圖5 粒徑為100 μm和200 μm液滴工況下水蒸氣在各截面的變異系數wv

綜上所述，雖然100 μm 和200 μm 粒徑的液滴均能在反應區蒸發完全，但200 μm 粒徑的液滴的變異系數wv更小，說明水蒸氣與煙氣混合更均勻；從圖3 云圖分布亦可知當d=200 μm 時，水蒸氣分布位置距離四面墻較遠，不易聚集析出NH3造成水冷壁堿腐蝕。因此，適當大小的液滴粒徑（200 μm 左右）既能滿足在反應區的蒸發完全和較大的中心區面積，又能保證反應核心區在不靠近壁面的情況下，與煙氣充分均勻地混合。

2.2 噴射速度的影響分析

同樣地，模擬過程中仍設定噴槍總共可產生800股粒子射流。如表2所示，當保持液滴粒徑d=300 μm不變時，改變液滴的噴射速度，計算域中蒸發完全的粒子數和逃逸（未蒸發完全）的粒子數略有變化。

表2 不同速度下液滴的蒸發完全及逃逸情況

當噴射速度v<30 m/s 時，液滴的噴射速度越大，蒸發完全的粒子數越多，直到噴射速度增加v=35 m/s，蒸發完全的粒子數反而減少。這是由于v<30 m/s時，噴射速度越大，液滴與高溫氣流的相對速度就越大，對流換熱作用就越強烈，液滴蒸發成水蒸氣的速度也就越快。但與此同時，較高的流速也會使液滴在反應區（計算域）的停留時間減少，從而導致了噴射速度為35 m/s 時，蒸發完全的液滴數目比30 m/s時少。顯然，只有在一定范圍內增大噴射速度才能有效促進液滴的完全蒸發。

不同射流速度工況下各截面中心區面積的比例如圖6 所示。從圖中可以看出，隨著射流速度的增加，各截面中心區面積占比逐漸下降，且射流速度越大，中心區面積下降幅度越大，說明增加液滴噴射速度并不能增加中心區面積。

圖6 不同射流速度工況下各截面中心區面積的比例

綜上所述，噴射速度對液滴蒸發完全的數目影響并不十分明顯，但較低的液滴噴射速度能獲得更大的中心區面積，即噴射流速保持20～25 m/s 對于脫硝是有利的。

2.3 噴射角度的影響分析

前面研究噴射粒徑與噴射速度的影響時，液滴均是在z=0 平面（x-y平面）上沿x軸或y軸方向進行水平噴射，而實際工程中噴槍不一定是完全平行于x-y平面放置的，可能會稍微向上或向下傾斜，因此，研究噴槍放置的角度（噴射角度）對液滴蒸發及混合的影響也頗有意義。

如圖7 所示，選取三種噴射形式，即噴槍向上傾斜20°（與z=0 平面的噴射夾角ɑ=20°）、噴槍水平布置（平行于z=0 平面）和噴槍向下傾斜20°（與z=0 平面的噴射夾角ɑ=-20°），通過模擬這三種工況來研究噴槍角度對液滴蒸發混合的影響。

圖7 不同噴射角度

模擬過程中同樣地設定噴槍總共可產生800 股粒子射流。如表3所示，保持液滴粒徑d=300 μm，v=20 m/s 不變，當噴射夾角改變時，計算域中蒸發完全的粒子數和逃逸（未蒸發完全）的粒子數均不相同。在-20°≤ɑ≤20°范圍內，液滴的角度越小，噴槍越往下傾斜，蒸發完全的粒子數就越多。這是由于雖然考慮了重力對液滴的影響，但高溫空氣是自下而上流動，液滴的軌跡總體上還是往上發展。因此噴槍向下傾斜布置會減弱這種向上發展的趨勢，在相同的空間中延長了液滴的運動軌跡和流動距離，從而更加有利于顆粒的混合與蒸發。

表3 不同噴射角度下液滴的蒸發及逃逸情況

不同噴射角度工況下各截面中心區面積的比例如圖8所示。從圖中可以看出，當噴射角度從-20°增加到20°時，各平面的中心區面積占比呈下降趨勢，這說明減小噴射角度（噴槍向下傾斜）將有利于增加反應區的中心區面積。

圖8 不同噴射角度工況下各截面中心區面積的比例

不同噴射角度工況下水蒸氣在各截面的變異系數wv如圖9 所示，可以看出無論哪個截面上，ɑ=-20°的液滴蒸發形成的水蒸氣的變異系數wv均為最小，說明將脫硝噴槍向下傾斜一定角度利于水蒸氣與煙氣的充分混合。

圖9 不同噴射角度工況下水蒸氣在各截面的變異系數wv

綜上所述，噴射角度對蒸發完全的液滴粒子數具有明顯的影響，將脫硝噴槍向下傾斜一定角度會顯著促進液滴的蒸發，形成更大的中心區，并使水蒸氣與高溫煙氣混合更加均勻。

3 結語

液滴的粒徑過小（100 μm），經噴槍噴出后將迅速被高溫煙氣蒸發、分解形成NH3氣體并聚集在爐墻四周，會造成水冷壁金屬管堿腐蝕；粒徑過大（300 μm 和400 μm）的液滴在反應區無法蒸發完全且中心區面積較小；而適當大小粒徑（200 μm 左右）既滿足所有液滴在反應區蒸發完全和較大的中心區面積，又能保證水蒸氣與煙氣混合均勻。

液滴的噴射速度大小對液滴完全蒸發有一定影響，但并不十分明顯，過高的流速（35 m/s）會使液滴在還原反應區（計算域）的停留時間減少，各截面上中心區的面積減少；將噴射流速保持在20～25 m/s可獲得較大的中心區面積下且利于NOx的脫除。

噴射角度對液滴完全蒸發具有明顯的影響，將脫硝噴槍向下傾斜一定角度將顯著促進液滴的蒸發，形成更大的中心區，并使水蒸氣與高溫煙氣混合更加均勻，從而獲得更好的脫硝效果。