超临界CFB旋风分离器选择性非催化还原脱硝特性模拟

0引言

控制NOx排放已成为国际共同关注的话题。循环流化床锅炉燃烧温度低，可以抑制炉内温度型NOx的生成。某电厂筹备660MW超临界循环流化床(CFB)机组，为达到更严格的环保标准，需加强脱硝。选择性非催化还原(SNCR) 脱硝技术安装装置 少、成本低，SNCR反应温度与CFB锅炉旋风分离器内温度场相适应，烟气流动在1s左右，在旋风分离器处加装SNCR脱硝系统可以达到 50% 以上的脱硝率，满足超低排放的标准。

各国学者对CFB锅炉在旋风分离器处加装 SNCR脱硝系统进行了广泛的研究。杨梅等人在管式反应炉上进行流化床SNCR脱硝实验，发现在氨氮摩尔比为1∶1.5，温度为 920 ℃时，脱硝率可以达到50%;刘辉等人采用携带流反应器研究烟气与脱硝剂流动过程对 SNCR脱硝率的影响，发现温度低于 900 ℃ 时，烟气与脱硝剂流动混合对 SNCR脱硝率影响不大;温度超过 950 ℃时，烟气与脱硝剂流动混合成为控制 SNCR反应的主要因素， 会降低 SNCR反应的脱硝率。以上研究只是针对一般的 SNCR脱硝，而超临界CFB锅炉结构大型化，内部流场更加复杂，目前对超临界 CFB 锅炉 SNCR脱硝研究还比较少。

本文将 CHMKIN 软件用于简化SNCR反应机理，并将简化机理与流体动力学(CFD) 软件相结合，对660 MW 超临界CFB锅炉SNCR脱硝特性进行分析，为超临界CFB锅炉 SNCR脱硝实际运行提供有价值的参考。

1计算模型的建立

1.1物理模型

某电厂660 MW 超临界CFB锅炉旋风分离器结构简图如图1 所示，结构尺寸如表1 所示。

1.2网格划分

使用 Gambit 软件对旋风分离器进行网格划分，并进行无关性检验，最后选择网格数为943 200，网格划分如图2 所示。

1.3数学模型

RSM 模型不再使用各向同涡粘性假设，对于旋风分离器内这类流动方向复杂的模拟有显著优势。文献使用 RSM 模型进行研究并获得贴近实际的结果。选择使用 RSM 模型对旋风分离器流场进行模拟。

QUICK 迎风格式不仅具有稳定性而且减小了假扩散项，采用 QUICK 迎风格式可以得到较为准确的模拟结果;旋风分离器内流场为高速旋转流动，使用 PRESTO 压力插补格式最为合适;为加快收敛，使用 SIMPLEC 压力 －速度耦合方式;辐射传热模型采用 P －1 辐射模型。

1.4边界条件

还原剂喷入点位置简图如图3 所示。设底部圆心为零点坐标，建立三维坐标，喷入点位置如表 2 所示。

在对旋风分离器内烟气流场进行全面分析的基础上，对模型进行如下设置:

仅考虑气相稳态流场，不考虑固体颗粒对 SNCR 反应的影响。

设置烟气主要组分为 N2、CO2、H2O、O2和 NO，并通过锅炉热力计算获得各组分质量分数分别为 62.83%、22.79%、9.95%、4.42%和0.01%。

还原剂选择喷入的是质量浓度为 15%的氨水，液滴蒸发过程通过 DPM 模型进行设置，蒸发生成气态 NH3。

SNCR 脱硝效率为:

SNCR反应按照反应速率划分为慢反应，应首先模拟得到烟气流动过程的收敛解，在此基础上进行 SNCR 脱硝的化学反应求解。研究表明，此方法可以准确模拟 SNCR 脱硝特性。

2SNCR 反应机理简化

FLUENT 动力学模拟软件含有 SNCR 脱硝反应模块，该模块的 SNCR 脱硝反应机理涉及14 种组分，其中包含9 个基元化学反应。表 3 为反应模块的反应机理，反应 1 ～ 7 为 SNCR 脱硝机理，反应 8 和9 为尿素分解过程。

然而 FLUENT 中 SNCR 脱硝反应模块不可更改，不能很好地针对复杂的反应环境; 采用详尽的 SNCR 脱硝反应机理会影响模拟计算效率。所以合理地简化 SNCR 脱硝反应机理显得十分重要。

2.1敏感性分析

灵敏度分析是 CHMKIN 4.1 软件中自带的一个强大工具，用于确定反应模型中每个反应与目标组分相关的程度。敏感性系数定义为:

针对 CFB 锅炉旋风分离器的反应条件，对 NH3、 N2O、NO、NO2、NH2、HNO、 H、 O、OH、 O2、HO2、 H2O、NH、NNH、N、 N2、CO 和 CO218 种组分进行敏感性分析，组分的敏感性系数绝对值小，表明该基元反应影响小，删除对特定问题影响小的那些中间组 分来简化反应机理。

2.2SNCR反应机理简化

以 Qyvind Skreiberg 等人详细的 SNCR 脱硝反应机理为基础，使用 CHMKIN 4.1 软件进行简化，得到简化机理如表4 所示。

2.3简化机理验证

在实验室条件下开展 SNCR 脱硝反应特性实验，实验系统结构简图如图4 所示。

氨氮摩尔比( NSR) 为 1.2，含氧量为 5% 条件下，温度为850 ～1 050 ℃时，将简化反应模拟结果、实验结果和 Qyvind Skreiberg 详细反应机理模拟结果进行比较，结果如图5 所示。

由图 5 可知，三者所得脱硝率随温度变化的趋势是一样的，脱硝率在950 ℃达到最高值，反应温度过低会使反应速率减慢，导致氨逃逸率升高;反应温度过高会导致氨被氧化而失去脱硝作用，降低脱硝率。实验室条件下结果要高于模拟结果，这是因为实验室条件下仪器尺寸小，反应气体混合程度高。实验论证 CHMKIN 4.1 软件简化后的机理可以正确地模拟超临界 CFB 锅炉旋风分离器 SNCR 脱硝反应。

3SNCR反应特性

3.1反应温度对脱硝率的影响

温度是 SNCR 反应的控制条件，温度低反应不能进行，而温度高 NH3与 O2发生反应。模拟得到最佳反应温度对实际运行具有指导意义。

图6 为800 ～1 050 ℃下模拟结果的变化曲线。从图6 中可以得到，温度从 800 ℃增加，SNCR 脱硝效率随之增加，950 ℃达到峰值，然后脱硝效率降低，不同 NSR 的变化趋势是相同的。脱硝率达到最高点后，温度继续提高，脱硝率降低，分析可知当温 度过高时，NH3会发生如下反应:

NH3参与反应式( 3) 、式( 4) 的反应，导致还原 剂量减少，而反应式( 4) 又会生成 NO，增加氮氧化合物的量，最终致使SNCR脱硝率减少。定义反应温窗为脱硝率超过40% 时的温度范围，得到反应温窗为850 ～ 1 050 ℃。将模拟结果与文献实验数据进行比较，发现与在固定床实验系统或携带流反应器进行实验的 SNCR 脱硝率相比差别较大，但是与中试试验或电厂实测结果相比差别较小。分析可知，温度低于 900 ℃时，烟气与脱硝剂流动混合对 SNCR 脱硝率影响不大，温度超过950 ℃时，烟气与脱硝剂流动混 合成为控制 SNCR反应的主要因素。实验室设备尺寸小，还原剂与烟气混合过程简单，基本可以充分混合，混合程度的影响不是十分明显;但现场设备尺寸是实验室设备数10 倍，还原剂与烟气混合过程复杂，混合程度便成为关键因素

3.2NSR 对脱硝率的影响

减少喷入还原剂的量可以节约成本，但是会导致 SNCR 脱硝率降低，达不到超低排放标准。模拟得到最经济的 NSR 对实际运行具有重大意义。图7 为不同 NSR 下脱硝率的变化曲线。

从图 7 中可以看出，当温度低于反应温度窗口 的下限时，NSR 的增加对脱硝率几乎没有影响，并 且 NSR 在800 ℃时NDSR 从1 增加到2，SNCR 脱硝 率从16.3%增加到 21.1%，仅增加了 4.8%。温度继续增加后，提升 NSR 可以有效地增加 SNCR 脱硝率，然而，在一定程度上增加 NSR 后，脱硝率增加的趋势逐渐减缓。反应温度为 950 ℃时，NSR 从 1 增 加到 2，脱硝率从 49.4% 升高到 81.1%，升高了 31.7%，其中 NSR 从1 增加到1.6，脱硝率从49.4% 升高到 74.9%，升高了 25.5%，而 NSR 从1.6增加 到 2，脱硝率从 74.9% 升高到 81.1%，仅升高 6.2%。

将 NSR 对 SNCR 脱硝率影响与文献数据进行比较，NSR 对 SNCR 脱硝率的变化趋势与文 献数据相一致，但是实验数据一般要比模拟预测值要高，分析可知这是由于反应器尺寸较小，容易得到良好的烟气与还原剂的混合，而 CFD 模拟模型尺寸接近实际，尺寸结构较大，烟气与还原剂的混合程度要比实验条件下差。从自由基方面来看，一个 NH2可产生4 个 OH 自由基，使 NH3有充足的 OH 自由基来产生 NH2，NH2进行 NH2 + NO 生成 N2和 NH2 + NO 生成 NNH 的链反应，在 NE = 1.5 左右 时，这两种链反应竞争达到平衡，NSR 再继续增加，只能使脱硝率缓慢增加，增加幅度趋于平缓。综合考虑 SNCR 脱硝率和运行经济性因素，结合各国学者的研究，NSR =1.5 较为合适。

3.3氨气逃逸

NH3逃逸造成了脱硝剂的浪费，同时 NH3逃逸会污染环境。同时锅炉末尾烟道烟气含有酸性气体，与 NH3反应生成铵盐，堵塞后续设备，带来巨大的经济损失。确保 NH3逃逸量满足国家标准( ≤10 mg/m³) 对机组的安全经济运行至关重要。图 8 为不同温度下 NH3逃逸量的变化曲线。

从图8 中可以看出，NH3逃逸量在温度较低时比较大，NSR 减小也随之减小，温度是 SNCR 反应的控制因素。在 NH3还原 NO 体系中，主要依靠 NH2 来还原NO，其中NH2是通过NH3与OH 和H 基团反应生成的。OH 基团是促进 NH3转化成 NH2的重要 物质，温度较低时，OH 基团生成会被抑制，导致 NH3的还原 NO 体系进行不充分，NH3 逃逸量增大;温度升高，NH3逃逸现象逐渐缓解，反应温度超过930 ℃时，NH3逃逸量满足国家排放标准，不同 NSR 下，NH3逃逸具有相同的趋势。这与中试试验台和电厂实测数据比较接近，可以证明模拟 结果可以对 NH3泄漏进行较好地预测。

4结论

( 1) 超临界 CFB 锅炉 SNCR 脱硝反应的反应 温窗在850 ～1 050 ℃，脱硝率随温度的增加先升高 后降低，950 ℃时达到脱硝率最高点。

( 2) 在温度较低时，温度是控制因素，提高NSR 对提高脱硝率影响不大;在800 ℃下 NSR 从1 提高到2，脱硝率仅提高了4.8%; 温度提高到反应温窗内时，提高 NSR 可以有效提高脱硝率，但提高 NSR 到一定程度，增幅会平缓，实际运行中 NSR =1.5 左右最佳。

( 3) NH3逸出在低温下更严重，NSR 越大，NH3 逸出越多，随着温度的升高 NH3逃逸得到遏制。温度大于935 ℃时，NH3逸出量小于10 mg/m³。