2012年1月1日实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)大幅收紧了燃煤电厂SONOx､粉尘等大气污染物排放限值,并根据燃烧方式､投运时间和所在地域不同分别要求燃煤锅炉执行NOx(以NO2计)200mg˙m-3(现役W型火焰锅炉､CFB锅炉等)､100mg˙m-3(新建锅炉､重点地区)排放限值;而各地政府提出更严格的要求,如福建省要求所有燃煤发电锅炉执行NOx排放限值100mg˙m-3(闽政办〔2012〕87号文)｡
多年运行实践数据和多次现场工业热态试验结果均表明,大部分在2000年左右投运的燃用福建无烟煤的中温分离CFB锅炉的NOx排放浓度可满足GB13223-2011的现役CFB锅炉NOx排放限值200mg˙m-3(在基准氧含量6%条件下,下同)要求,但无法满足福建省NOx排放限值100mg˙m-3要求,所以脱硝改造势在必行的｡
选择性催化还原技术(ivecatalyticreduction,SCR)是目前世界上技术最成熟､应用最广泛､脱硝效率最高且最为有效的一种烟气脱硝技术,但也存在设备投资大､占地面积大､运行成本高､废旧催化剂处理麻烦
(催化剂是固废危险品)等缺点,常用于新建电厂和大容量锅炉改造｡选择性非催化还原技术(ivenon-cat-alyticreduction,SNCR)是一种不采用催化剂,使用氨或尿素在850℃~1150℃范围内还原NOx的方法,具有改造简单､初投资低､占地面积小､运行费用低等优点,是中小容量锅炉脱硝改造的首选｡但受炉内温度梯度大和还原剂混合不均影响较大,存在还原剂耗量大､NOx脱除效率低等缺点,且温度窗口的选择和控制也较困难,常与SCR(即SNCR+SCR)联合应用于新建CFB锅炉,以满足《关于印发煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)的通知》(发改能源〔2014〕2093号)的新建燃煤发电机组NOx排放浓度不高于50mg˙m-3的要求｡
为降低脱硝成本,从源头上降低NOx生成量和排放浓度,该炉先后进行了缩减布风板面积和提高二次风率､提高下二次风口高度和增设一层上二次风的低氮燃烧改造,取得了显著效果,NOx原始排放浓度可控制在140~180mg˙m-3之间｡
为此,经过技术､经济综合比较并根据现场实际情况,2台燃烧福建无烟煤的75t˙h-1中温旋风分离CFB锅炉决定采用SNCR进行脱硝改造｡然而,中温旋风分离CFB锅炉的分离器入口设计烟温为567℃､实际运行烟温在520℃~580℃之间,无法设置喷氨(NH3)点;但是,该锅炉炉床(标高4.7m)运行温度在930℃~1000℃､炉膛出口(标高19.0m)烟温在850℃~1050℃之间(设计烟温为920℃),与SNCR喷氨脱硝的温度区间850℃~1100℃相近,可设置喷氨点｡为此,利用Fluent软件对SNCR进行计算流体力学(computationalfluiddy-namics,CFD)研究,通过模型机理分析､数值模拟计算等手段,确定合理的中温旋风分离CFB锅炉炉膛内喷氨点,使喷入的氨(NH3)能与炉内NOx充分接触反应并有足够的停留反应时间,从而得到较高的脱硝效率,同时减少氨逃逸率｡
1 模拟对象和数学模型
1.1 研究对象
拟改造的2台中温旋风分离CFB锅炉是东方 锅炉厂为燃用福建无烟煤而设计的中温中压参数DG75/3.82-11型CFB锅炉(如图1所示),采用“高炉膛､低烟速､高炉膛燃烧温度､中温旋风绝热分离､中物料循环倍率”设计方案,分别于2000年4月和2001年9月投运｡该炉在布风板(标高4.7m)至炉膛上部(标高18.5m)水冷壁上敷设70mm厚耐磨挂砖作为卫燃带,使燃料在炉膛处于近似绝热状态下燃烧;在炉膛出口段(标高24.29m至28.69m)布置了蒸发管束､高温过热器､低温过热器等受热面,以弥补由于增加炉膛卫燃带区域而造成的水冷壁蒸发受热面的减少｡锅炉主要设计参数见表1,主要运行参数见表2｡
1.2 模拟对象
采用CFD技术可减少物理模型试验､缩短研发周期､节约研究费用,获取大量的空间分布的瞬时数据,还能实现可视化的效果,特利用CFD准确模拟本锅炉,建立了一套1∶1的三维模型(见图2),以得到最基本的温度场与流场分布,最优化SNCR喷枪位置,确认反应效率,确认喷枪的数量和流量｡考虑到锅炉的几何布置的对称性,三维模型从锅炉中心线剖开,只包含了一个分离器,且模型从炉膛标高12.54m至省煤器出口26.2m结束｡
1.3 模型简化与假设
根据SNCR装置的实际运行环境,在满足工程要求的条件下,为了便于模拟计算,本文对SNCR装置结构以及烟气状况做如下假设和简化:
(1)烟气各组分与还原剂气体为不可压缩的理想气体;
(2)流动是定常流动;
(3)流体物性参数为常数;
(4)不考虑系统漏风､灰分的影响;
(5)水冷壁简化为光滑换热壁面,烟道壁面设定为水冷壁导热;
(6)大型换热元件,如蒸发管束､高温过热器､低温过热器及省煤器等简化为均匀多孔换热介质｡
1.4 数学模型
1.4.1气相湍流模型
本文采用欧拉法,将SNCR装置烟气流场的烟气作为连续相处理,通用方程为:
式中,(ρ)/t为瞬态项;div(ρυ)为对流项;div(Γgrad)为扩散项;S为广义源项;Γ为广义扩散系数;是通用变量;t为时间,s;υ为速度,m˙s-1;ρ为烟气密度,kg˙m-3｡在连续方程､动量方程和能量方程中,S和Γ分别代表1､υ､T和0､μ､K/c等常数和变量｡其中,T为温度,K;μ为动力粘度,Pa˙s;K为传热系数,W˙m-2˙K-1;c为比热容,J˙kg-1˙K-1｡
根据SNCR装置内烟气流动时湍流的情况,本文采用Realizablek-ε湍流模型来模拟系统内烟气的湍流运动｡
1.4.2多孔介质模型
多孔介质的动量方程是在标准的动量方程基础上附加动量源项而得到的｡源项由两部分组成,一部分是粘性损失项,另一部分是内部损失项｡
式中,Si为i方向上的动量源项,Pa˙m-1;υj为j向流体速度分量,m˙s-1;μ为流动动力粘度,Pa˙s;ρ为密度,kg˙m-3;D､C分别为粘性和惯性阻力系数矩阵｡
对于大型换热元件的压降,可简化为简单的均匀多孔介质,其压降损失公式如下:
式中,α为介质渗透性;C2为内部阻力因子,可看成是沿着流动方向每一单位长度的损失系数｡
1.4.3物质输运模型
由于SNCR中的流动介质有烟气和氨气,这就涉及到考虑流动中物质的混合情况,因此采用混合物的物质输运模型]来模拟这一情况｡通过求解描述每种组成物质的对流､扩散和反应源的守恒方程来模拟混合和输运,可以模拟多种同时发生的化学反应｡当选择解化学物质的守恒方程时,通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数Yi守恒方程采用以下的通用形式:
式中,Ji为物质i的质量扩散,由浓度梯度产生;Ri为化学反应的净产生速率;Pi为附加速率｡
式中,Di,m为混合物第i种物质的扩散系数｡
在系统中出现N种物质时,需要解N-1个这种形式的方程｡由于质量分数的和必须为1,第N种物质的分数通过1减去N-1个已解得的质量分数得到｡为了使数值误差最小,第N种物质必须选择质量分数最大的物质｡
1.4.4化学反应动力学模型
SNCR过程中不同反应物之间的相互影响和转化主要为气相反应,考虑k种反应物之间的反应,其反应体系可以表述为:
式中,I为反应机理模型中基元反应总数,K为反应体系中反应物总数,νki为基元反应化学当量数,xk为第k种反应物｡
第k种反应物的产率ωk就是涉及到第k种反应物的反应方程对其生成和消除作用的总和:
其中第i个反应的反应速率Vi为:
式中,Xk为第k种反应物的摩尔浓度,kf,r和kf,r分别为第i个反应的正向和逆向反应速率常数｡
第i个反应的反应速率常数遵守阿累尼乌斯定律:
式中,指前因子Ai､温度指数βt和活化能Ei由已有的典型反应机理模型中获得｡
1.5 网格划分及边界条件
为提高计算精度与计算速度,网格划分采用局部加密的方式,网络剖分总单元为220万左右(如图3所示),经网络质量检查符合计算要求｡
设定还原剂为质量浓度22%的氨水,NOx原始浓度250mg˙m-3(标态,6%O2),SNCR脱硝效率为60%,氨氮摩尔比NSR为2.0mol/mol;考虑到热负荷波动引起锅炉负荷变化,在33(低负荷)~75(高负荷)t˙h-1之间均能满足NOx排放限值100mg˙m-3要求,氨逃逸质量浓度不大于8mg˙m-3,高低负荷对应烟气量分别为85808m3˙h-1和37756m3˙h-1,氨水用量分别为108.11kg˙h-1和31.86kg˙h-1｡
2 结果与讨论
2.1 速度分布
图4描述了75t˙h-1高负荷和33t˙h-1低负荷时整个系统的速度分布｡整体而言,高低负荷时的炉膛内的烟气速度流场分布较为均匀,尤其在蒸发管束受热面以下的炉膛流速更为均匀,为在炉膛内喷入氨水进行SNCR反应提供了有利条件｡
在75t˙h-1负荷工况下,总一､二次风量为85808m3˙h-1,炉膛竖直部分截面为4645mm×5905mm,炉膛有效截面积为25.97m2,上二次风口以上稀相区的烟气流速为3.83m˙s-1,与模拟数值一致,与设计烟速4.0m˙s-1和实际运行烟速区间3.5~4.2m˙s-1相符合｡若在标高15m和16.2m布置喷枪,至蒸发管束入口空间距离大于8m,喷入的NH3可在时候脱硝反应的850℃~980℃温度区间停留时间2s以上,满足SNCR的最佳反应时间要求｡
2.2 温度分布
图5描述了75t˙h-1高负荷和33t˙h-1低负荷时整个系统的温度分布｡整体而言,相同负荷下炉膛内的温度流场分布较为均匀,蒸发管束受热面以下区域的温度梯度较小;炉膛上部和出口段(标高12.54m至24.29m之间)烟气温度,75t˙h-1负荷时为940℃~980℃,33t˙h-1负荷时则在850℃~920℃之间,均满足SNCR喷氨脱硝反应温度区间要求｡这是因为该炉在炉膛标高4.7~18.5m之间敷设了13.8m长的卫燃带,使燃料在炉膛密､稀相区处于近似绝热状态下燃烧,保证炉膛内有充分均匀的较高的燃烧温度;同时,尽管在标高18.5m以上裸露的水冷壁管束会吸收部分热烈,但福建无烟煤具有强烈的后燃性,二次风补充大量氧气加剧了福建的燃烧强度,提高了炉膛出口烟温,甚至出现局部高温区,严重时会造成炉膛出口段(标高18.5~20.8m)水冷壁上结焦｡经过蒸发管束､高温过热器､低温过热器换热后,烟温下降至520℃~580℃,进入中温旋风分离器｡
同时,对比图5(a)､5(b)可以看出,不同负荷下的炉膛中上部温度差别较大,即存在较大的负荷温度梯度｡这是因为该炉是中温分离CFB锅炉,存在较严重的灰量不平衡问题,一般通过调整返回炉膛的回料量来改变炉内物料浓度从而达到调整锅炉负荷的目的｡锅炉负荷高时,返回炉膛的回料量多,将密相区的大量热量源源不断地从炉膛底部带到上部,保持炉膛中上部较大的物料浓度､较高的燃烧强度以及较多的燃烧份额,炉膛中上部温度较高且均匀分布,保证锅炉出力;锅炉负荷较低时,回料量较少,炉内物料浓度较低,炉膛中上部温度较低｡
2.3 NOx浓度分布
图6描述了75t˙h-1高负荷和33t˙h-1低负荷时整个系统的NOx浓度分布｡从图6可以看出,炉膛中下部的NOx浓度分布较为均匀,但炉膛中下部(随负荷升高分界点提高)的NOx浓度分布出现较大偏差,呈现“W”型分布特性,即侧边和中心NOx浓度高､其他位置NOx浓度低,这是由于二次风分级送风､分段燃烧造成部分NOx还原为N2,与现场工业试验测试结果相一致｡
分析其原因,主要有:(1)由于二次风射程能力和穿透深度有限,炉膛中心存在一个三角形的缺氧区域,O2浓度从炉膛中心向四周逐渐增大,炉膛四周则处于富氧状态;(2)二次风使福建无烟煤燃烧加剧,焦炭燃烧和挥发分N燃烧过程NO生成量增加,且NO还原速率降低;(3)炉膛中心属于严重缺氧区域,O2浓度的严重不足不仅延迟了燃料颗粒的着火和燃烧,还影响了NH3与NO的还原反应,NOx浓度较高;(4)炉膛中心与四周之间区域内的燃烧过程生成一些的CO､NH3､HCN､H2和焦炭等不完全燃烧产物,可抑制NO生成,并利于NO还原分解,NOx浓度较低;(5)炉膛四周处于强氧化性气氛,焦炭N析出过程提前并部分转化为NO,还加快了挥发分N转化为NO的速率,加剧了HCN､NH3的氧化反应,增加了NO生成量;同时,还降低了CO､H2焦炭C粒子的浓度,降低NO被还原分解的率,NOx浓度较高｡
2.4 烟气流线分布
图7描述了75t˙h-1高负荷和33t˙h-1低负荷时整个系统的烟气流线分布｡整体而言,由于对炉内烟气进行假定和简化处理,相同负荷下炉膛内的烟气流线分布较为均匀,在蒸发管束以下区域的垂直方向速度分布均匀,可作为喷枪布置的设计依据｡
同时,对比图7(a)､7(b)可以看出,不同负荷下的烟气流速差别较大｡相同负荷下烟气在炉膛内均匀分布,向上依次通过蒸发管束､高温过热器､低温过热器,在分离器入口形成旋流进入分离器｡
2.5 还原剂喷入流线
考虑到存在较大的负荷温度梯度,SNCR系统要在不同的负荷下运行并满足NOx排放限值100mg˙m-3,采取喷枪分层设置的方式:第一层喷枪(流量70L˙h-1,平均粒径100μm,压缩空气雾化,雾化角60°,水压0.4MPa,一次风冷却,具有伸缩机构)设置在标高15.0m处的侧墙上,一边2根对称布置,在低负荷时投运;第二层喷枪设置在标高16.2m处的侧墙上,一边2根对称布置,在高负荷或炉膛上部平均温度达到900℃及以上时投运第二层4根喷枪｡通过测量炉膛中上部的温度可以控制两层喷嘴的相互切换,在保证较高的脱硝效率同时保证很小的NH3逃逸｡
图8描述了75t˙h-1高负荷和33t˙h-1低负荷时整个系统的还原剂喷入流线分布｡从图8可看出,氨水通过喷枪喷出时被0.4~0.5MPa压缩空气充分雾化后,以60°的扩散角度喷入炉膛,通过雾化空气的作用,保证氨水的雾化粒径和穿透强度,促进了还原剂NH3与烟气中NOx充分的接触和均匀的混合,并在蒸发管束入口前全部蒸发和反应,这也说明喷枪的喷射距离刚好满足工艺设计要求｡由于在喷枪入口的区域内,喷射位置距离喷枪入口很近,受到喷枪扩散角度的影响,还原剂没有与烟气充分混合,需要对称布置的对侧喷枪相互补充,单层4根喷枪可基本保证炉膛内全覆盖,并能适锅炉负荷波动､燃烧参数变化､NOx排放波动的系统工况的要求｡
同时,对比图8(a)､8(b)和图8(c)､8(d)可以看出,较低负荷下的氨水穿透能力更强,更容易实现炉膛内全覆盖,甚至达到对侧水冷壁上,这是因为较低负荷时炉膛内烟气流速低､物料浓度低,并对炉膛烟气进行理想化处理｡
3 工程实践及效果
3.1 工程实践应用情况
根据CFD模拟和优化结果,在2台燃用福建无烟煤的中温分离CFB锅炉应用SNCR进行脱硝改造,采用质量浓度为22%的氨水作为脱硝还原剂,在炉膛侧墙标高15.0m和16.2m各设置一层6支喷枪,两侧对称布置,根据炉膛中上部的温度控制切换两层喷枪,使氨水喷射和控制系统与精确的炉膛流体动力学分析及化学动力学分析相结合,来快速响锅炉运行参数和NOx排放浓度波动｡氨水储存和输送系统､稀释和计量分配系统､电气及控制系统与常规SNCR系统基本一致｡
为保证喷枪雾化效果,采用0.4~0.5MPa压缩空气进行雾化,使氨水通过喷嘴喷出时被压缩空气充分雾化后以60°的扩散角度喷入,通过雾化空气的作用保证氨水的雾化粒径和穿透强度,确保氨水和烟气混合均匀;用一次风作为冷却介质,使其能承受反应温度窗口区域的最高温度而不产生任何损坏;为保护喷枪头部,在喷枪外加装外套管,并使喷枪头部处于基本与耐磨挂砖平齐的位置,外套管焊接在水冷壁鳍片上;同时,为防止高粉尘环境下喷枪头部被粉尘堵塞以及开停喷枪时的液滴腐蚀炉膛壁,在喷枪上设置外套管,并通入冷却风,用来保持喷枪周围始终有冷却风包围,减少堵塞及液滴流下的可能;喷枪具有伸缩机构,当喷枪不使用或雾化空气流量不足时,可将其从锅炉中抽出以保护喷枪不受损坏｡
3.2 性能试验及效果
按照《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》(DL/T260-2012)在100%BMCR和75%BMCR负荷(受热负荷较大影响无法降至50%BMCR负荷)工况下对SNCR进行性能试验,并根据《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性非催化还原法(HJ563-2010)》进行评价,结论如下:
(1)在100%BMCR和75%BMCR负荷工况下,实测脱硝效率都达到60%以上,NOx排放浓度满足福建省NOx排放限值100mg˙m-3要求,详见表3｡
4 结论
(1)限于75t˙h-1中温旋风分离CFB锅炉的分离器入口烟温在520℃~580℃之间,而炉膛标高4.7m至19.0m)烟温在850℃~1050℃之间,与SNCR喷氨脱硝的温度区间850℃~1100℃相近,对SNCR进行CFD研究,确定合理的炉膛喷氨点并优化布置,在保证较高脱硝效率的同时减少氨逃逸率｡
(2)根据炉膛内流场的CFD模拟计算结果,进行喷枪及其喷射系统设计优化,确定合理的喷射角度和距离,以达到良好的雾化和喷射效果,并结合实验经验优化设计控制策略,来快速响应锅炉运行参数和NOx浓度波动,适应锅炉负荷变化的要求｡
(3)在2台燃用福建无烟煤的中温分离CFB锅炉炉膛侧墙标高15.0m和16.2m各设置一层6支喷枪,根据炉膛中上部的温度控制切换两层喷枪｡现场性能试验结果表明,在100%BMCR和75%BMCR负荷工况下,实测脱硝效率达到60%以上,NOx排放浓度小于100mg˙m-3,氨逃逸质量浓度小于8mg˙m-3,氨消耗量和氨氮摩尔比满足性能保证值要求｡
文献信息
吴剑恒,何宏舟,俞金树. SNCR在中温分离CFB锅炉上的CFD研究应用[J]. 电力学报,2016,01:67-77.
原标题：SNCR在中温分离CFB锅炉上的CFD研究应用
