超臨界CFB旋風分離器選擇性非催化還原脫硝特性模擬
北極星大氣網訊 :0引言
控制NOx排放已成為國際共同關注的話題。 循環流化床鍋爐 燃燒溫度低，可以抑制爐內溫度型NOx的生成。某電廠籌備660MW超臨界循環流化床(CFB)機組，為達到更嚴格的環保標準，需加強脫硝。選擇性非催化還原(SNCR)
脫硝技術 安裝裝置 少、成本低，SNCR反應溫度與CFB鍋爐旋風分離器內溫度場相適應，煙氣流動在1s左右，在旋風分離器處加裝 SNCR脫硝 系統可以達到 50% 以上的脫硝率，滿足超低排放的標準。
各國學者對CFB鍋爐在旋風分離器處加裝 SNCR脫硝系統進行了廣泛的研究。楊梅等人在管式反應爐上進行流化床SNCR脫硝實驗，發現在氨氮摩爾比為1∶1.5，溫度為 920 ℃時，脫硝率可以達到50%;劉輝等人采用攜帶流反應器研究煙氣與脫硝劑流動過程對 SNCR脫硝率的影響，發現溫度低于 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反應的主要因素， 會降低 SNCR反應的脫硝率。以上研究只是針對一般的 SNCR脫硝，而超臨界CFB鍋爐結構大型化，內部流場更加復雜，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反應機理，并將簡化機理與流體動力學(CFD) 軟件相結合，對660 MW 超臨界CFB鍋爐SNCR脫硝特性進行分析，為超臨界CFB鍋爐 SNCR脫硝實際運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鍋爐旋風分離器結構簡圖如圖1 所示，結構尺寸如表1 所示。
1.2網格劃分
使用 Gambit 軟件對旋風分離器進行網格劃分，并進行無關性檢驗，最后選擇網格數為943 200，網格劃分如圖2 所示。
1.3數學模型
RSM 模型不再使用各向同渦粘性假設，對于旋風分離器內這類流動方向復雜的模擬有顯著優勢。文獻使用 RSM 模型進行研究并獲得貼近實際的結果。選擇使用 RSM 模型對旋風分離器流場進行模擬。
QUICK 迎風格式不僅具有穩定性而且減小了假擴散項，采用 QUICK 迎風格式可以得到較為準確的模擬結果;旋風分離器內流場為高速旋轉流動，使用 PRESTO 壓力插補格式最為合適;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
還原劑噴入點位置簡圖如圖3 所示。設底部圓心為零點坐標，建立三維坐標，噴入點位置如表 2 所示。
在對旋風分離器內煙氣流場進行全面分析的基礎上，對模型進行如下設置:
僅考慮氣相穩態流場，不考慮固體顆粒對 SNCR 反應的影響。
設置煙氣主要組分為 N2、CO2、H2O、O2和 NO，并通過鍋爐熱力計算獲得各組分質量分數分別為 62.83%、22.79%、9.95%、4.42%和0.01%。
還原劑選擇噴入的是質量濃度為 15%的氨水，液滴蒸發過程通過 DPM 模型進行設置，蒸發生成氣態 NH3。
SNCR 脫硝效率為:
SNCR反應按照反應速率劃分為慢反應，應首先模擬得到煙氣流動過程的收斂解，在此基礎上進行 SNCR 脫硝的化學反應求解。研究表明，此方法可以準確模擬 SNCR 脫硝特性。
2SNCR 反應機理簡化
FLUENT 動力學模擬軟件含有 SNCR 脫硝反應模塊，該模塊的 SNCR 脫硝反應機理涉及14 種組分，其中包含9 個基元化學反應。表 3 為反應模塊的反應機理，反應 1 ～ 7 為 SNCR 脫硝機理，反應 8 和9 為尿素分解過程。
然而 FLUENT 中 SNCR 脫硝反應模塊不可更改，不能很好地針對復雜的反應環境; 采用詳盡的 SNCR 脫硝反應機理會影響模擬計算效率。所以合理地簡化 SNCR 脫硝反應機理顯得十分重要。
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大工具，用于確定反應模型中每個反應與目標組分相關的程度。敏感性系數定義為:
針對 CFB 鍋爐旋風分離器的反應條件，對 NH3、 N2O、NO、NO2、NH2、HNO、 H、 O、OH、 O2、HO2、 H2O、NH、NNH、N、 N2、CO 和 CO218 種組分進行敏感性分析，組分的敏感性系數絕對值小，表明該基元反應影響小，刪除對特定問題影響小的那些中間組 分來簡化反應機理。
2.2SNCR反應機理簡化
以 Qyvind Skreiberg 等人詳細的 SNCR 脫硝反應機理為基礎，使用 CHMKIN 4.1 軟件進行簡化，得到簡化機理如表4 所示。
2.3簡化機理驗證
在實驗室條件下開展 SNCR 脫硝反應特性實驗，實驗系統結構簡圖如圖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，將簡化反應模擬結果、實驗結果和 Qyvind Skreiberg 詳細反應機理模擬結果進行比較，結果如圖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 ℃達到最高值，反應溫度過低會使反應速率減慢，導致氨逃逸率升高;反應溫度過高會導致氨被氧化而失去脫硝作用，降低脫硝率。實驗室條件下結果要高于模擬結果，這是因為實驗室條件下儀器尺寸小，反應氣體混合程度高。實驗論證 CHMKIN 4.1 軟件簡化后的機理可以正確地模擬超臨界 CFB 鍋爐旋風分離器 SNCR 脫硝反應。
3SNCR反應特性
3.1反應溫度對脫硝率的影響
溫度是 SNCR 反應的控制條件，溫度低反應不能進行，而溫度高 NH3與 O2發生反應。模擬得到最佳反應溫度對實際運行具有指導意義。
圖6 為800 ～1 050 ℃下模擬結果的變化曲線。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。脫硝率達到最高點后，溫度繼續提高，脫硝率降低，分析可知當溫 度過高時，NH3會發生如下反應:
NH3參與反應式( 3) 、式( 4) 的反應，導致還原 劑量減少，而反應式( 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。定義反應溫窗為脫硝率超過40% 時的溫度范圍，得到反應溫窗為850 ～ 1 050 ℃。將模擬結果與文獻實驗數據進行比較，發現與在固定床實驗系統或攜帶流反應器進行實驗的 SNCR 脫硝率相比差別較大，但是與中試試驗或電廠實測結果相比差別較小。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反應的主要因素。實驗室設備尺寸小，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;但現場設備尺寸是實驗室設備數10 倍，還原劑與煙氣混合過程復雜，混合程度便成為關鍵因素
3.2NSR 對脫硝率的影響
減少噴入還原劑的量可以節約成本，但是會導致 SNCR 脫硝率降低，達不到超低排放標準。模擬得到最經濟的 NSR 對實際運行具有重大意義。圖7 為不同 NSR 下脫硝率的變化曲線。
從圖 7 中可以看出，當溫度低于反應溫度窗口 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 脫硝率影響與文獻數據進行比較，NSR 對 SNCR 脫硝率的變化趨勢與文 獻數據相一致，但是實驗數據一般要比模擬預測值要高，分析可知這是由于反應器尺寸較小，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際，尺寸結構較大，煙氣與還原劑的混合程度要比實驗條件下差。從自由基方面來看，一個 NH2可產生4 個 OH 自由基，使 NH3有充足的 OH 自由基來產生 NH2，NH2進行 NH2 + NO 生成 N2和 NH2 + NO 生成 NNH 的鏈反應，在 NE = 1.5 左右 時，這兩種鏈反應競爭達到平衡，NSR 再繼續增加，只能使脫硝率緩慢增加，增加幅度趨于平緩。綜合考慮 SNCR 脫硝率和運行經濟性因素，結合各國學者的研究，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，同時 NH3逃逸會污染環境。同時鍋爐末尾煙道煙氣含有酸性氣體，與 NH3反應生成銨鹽，堵塞后續設備，帶來巨大的經濟損失。確保 NH3逃逸量滿足國家標準( ≤10 mg/m3) 對機組的安全經濟運行至關重要。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 基團反應生成的。OH 基團是促進 NH3轉化成 NH2的重要 物質，溫度較低時，OH 基團生成會被抑制，導致 NH3的還原 NO 體系進行不充分，NH3 逃逸量增大;溫度升高，NH3逃逸現象逐漸緩解，反應溫度超過930 ℃時，NH3逃逸量滿足國家排放標準，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測數據比較接近，可以證明模擬 結果可以對 NH3泄漏進行較好地預測。
4結論
( 1) 超臨界 CFB 鍋爐 SNCR 脫硝反應的反應 溫窗在850 ～1 050 ℃，脫硝率隨溫度的增加先升高 后降低，950 ℃時達到脫硝率最高點。
( 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%; 溫度提高到反應溫窗內時，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，實際運行中 NSR =1.5 左右最佳。
( 3) NH3逸出在低溫下更嚴重，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。
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來源:循環流化床發電
