SNCR在中温分离CFB锅炉上的CFD研究应用

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｡

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