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不同喷枪在CFB锅炉SNCR工程中的应用

发布日期：2017-04-28　点击：1245
氮氧化合物(NOx)不仅会对人体健康产生直接危害，而且还会与大气中一些成分反应形成酸雨和光化学烟雾，促进超细颗粒物的形成，是影响生态环境和全球变暖的主要因子。近年来，我国氮氧化物排放量一直居于高位，2012年排放总量为2337.8万t，其中包含工业循环流化床锅炉在内的工业锅炉排放氮氧化物271万t，占当年工业氮氧化物排放量的13.5%。根据“十二五”发展规划要求，加快循环流化床锅炉氮氧化物控制与削减技术应用与推广，积极推进烟气脱硝工程建设已迫在眉睫。循环流化床锅炉可选用SNCＲ、SCＲ、SNCＲ-SCＲ脱硝技术，其中采用SNCＲ技术有其得天独厚的优势:循环流化床锅炉NOx初始排放浓度较低;锅炉工作温度满足SNCＲ的反应温度窗口要求;并且旋风分离器中的烟气流速高达15～25m/s，可与喷入的氨进行较好的混合并具备较长的停留时间。以上优势使得SNCＲ脱除氮氧化物的效率突破了传统的认识，即不再局限于50%以内的脱硝效率。福斯特惠勒已对国内外20余台循环流化床锅炉进行了SNCＲ改造，通过在分离器中喷入适量的氨，可实现高达50%～70%的脱硝效率，其中美国JEA电厂的2台300MW机组SNCＲ脱硝改造NOx 的排放值降至 ＜74 mg/Nm3。 

SNCR脱硝技术是一种经济有效的氮氧化物(NOx)控制技术，但在实际应用中NOx的脱除效率远低于理论上及实验室可以达到的效率(＞80%)，且存在未反应完全的NH3，存在逃逸。这主要由于SNCＲ反应过程中，反应温度、反应时间、氨氮比、混合程度等因素影响SNCＲ脱硝效率。SNCＲ喷枪作为最主要的脱硝设备，其性能直接影响脱硝效率:喷枪必须在合适的温度下使还原剂溶液快速蒸发，并使还原剂分布均匀、满足反应时间需求。因此，循环流化床锅炉SNCＲ工程中对喷枪参数有严格的要求。本研究通过理论数值模拟计算与实际工程实验相结合的方式，对不同雾化粒径喷枪在CFB锅炉中的使用性能展开研究。

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实验研究 
以广东某纸厂的CFB锅炉为研究对象，该锅炉为济南锅炉集团有限公司生产的YG-75/3．82-MI型循环流化床锅炉，锅炉额定蒸发量75t/h，设计烟气量105000Nm3/h，分离器入口设计温度800～900℃。
1. 1 物理模型 
本锅炉燃烧系统由炉膛、旋风分离器和返料器组成。预热后一次风由锅炉底部的水冷布风板均匀进入炉膛，燃煤和石灰石经炉前螺旋给煤机送入燃烧室。二次风约占总空气量的50%，分3层21个喷口布置，炉温控制在800～900℃。含灰烟气分成2股进入分离器，分离器顶部出口烟气经过热器进入尾部烟道。基于锅炉设计资料，建立了工程锅炉的物理模型，具体的锅炉结构见图1。

本次脱硝改造为技改工程，现场条件对新增设备的限制较大。根据锅炉实际烟气温度分布情况，结合工程实施经验，考虑在每个旋风分离器进口烟道布置3支喷枪，单台锅炉共配置6支喷枪。
1. 2 数学模型 
根据锅炉实际实时监控数据，循环流化床锅炉在不同负荷下，对应的分离器内部温度在834～967℃范围内，满足SNCＲ的反应窗口要求。因此，本研究主要通过数值模拟分析分离器入口处的混合效果，并以混合效果表征SNCＲ反应是否完全。

研究中以非预混PDF模型进行煤粉模拟燃烧，用以仿真锅炉内部燃烧及温度分布状况;同时考虑到锅炉内复杂的气相流动，以标准k-ε模型模拟湍流运动;针对于喷枪雾化及还原剂分布模拟，选用离
散相模型(discretephasemodel，DPM)跟踪计算还原剂雾化颗粒。

1标准k-ε模型锅炉内部湍流运动时均特性的连续方程、动量方程、能量方程、组分方程可采用标准k-ε模型来描述。它是应用最广泛的两方程涡粘性模式，求解两个湍流标量k和ε的输运方程，其中k方程表示湍动能输运方程，ε方程表示湍动能的耗散率。

1.2.2DPM模型旋风分离器内的还原剂雾化颗粒采用Fluent自带的DPM模型进行模拟。它把雾滴颗粒群作为离散体系，通过积分求解离散相颗粒的轨道，结合烟气加热、蒸发和扩散等效应，讨论不同还原剂雾化粒径对还原剂穿透距离及覆盖面积的影响。实验过程中雾化粒径将参照喷枪测试数据进行给
1. 3 喷枪测试 
选用两种喷枪进行对比分析研究:喷枪A与喷枪B。通过激光粒度分析仪WINNEＲ318C对喷枪的雾化颗粒进行测试。
粒径分析中常以离散度(离散度=(D90-D10)/D50)表征粒度的分布范围。喷枪A的离散度为0.99，喷枪B的离散度为1.17，离散度越小表示粒度分布范围越窄、粒径分布更集中。根据以上检测分析，喷枪A的粒径较大且分布集中，而喷枪B的雾化粒径小而分散。两者的差距较大，对比性较好。

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数值模拟结果及分析 
2. 1 粒径对还原剂穿透性能的影响 
给出了在设计条件下不同喷枪出口还原剂雾化颗粒运动轨迹，颜色代表停留时间，反映还原剂在烟道内的蒸发轨迹。
中喷枪 A 还原剂雾化液滴停留时间为 0. 1 s，穿透距离达到 0. 8 m，此时还原剂贯穿烟道， 并在旋风分离器进口处全部蒸发。而 喷枪 B 因粒径较小，停留时间仅 0. 05 s，穿透距离缩短为
0.43m，液滴未进入旋风分离器就已完全蒸发，由于蒸发时间过短，还原剂的穿透能力将小于喷枪A。
2. 2 还原剂粒径对还原剂分布的影响 
SNCR反应中，当氨分布不均时，会引起两种不利的现象，即浓度过高会导致氨逃逸，浓度过低将引起烟气SNCＲ的反应不完全，因此，氨分布均匀是氨利用效率及脱硝效率提高的保障。为贴近SNCＲ的工程实际应用，本研究以氨氮比NSＲ=1.5进行还原剂浓度分布模拟。

给出了进口烟道与分离器切入口交接处的氨气覆盖情况。表示浓度平均值的20%至平均值的180%范围内(即均值偏差范围80%)的覆盖面积，空白部分表示不在定义的偏离范围内(低于平均值的20%或高于平均值的180%)的区域。
喷枪A高于20%平均浓度时的覆盖面积为99.2%，此时均值偏差80%范围时的覆盖面积为83.7%。使用喷枪B时，不在定义范围内的空白面积增加，高于20%平均浓度时的覆盖面积为
80.49%，均值偏差80%范围时的覆盖面积仅为56.75%。表明喷枪B粒径较小，液滴在喷枪出口处即迅速雾化形成氨气，造成还原剂的穿透能力不足，在距离喷枪较近的区域内形成高氨浓度区，而在对向的分离器烟道周边的氨浓度偏低，氨浓度的分布均匀性较差，这印证2.1的结论。根据工程实验统计数据表明，氨的覆盖面积越大，脱硝效率越高;氨的浓度分布越均匀，氨的利用率越高;分布区域减少将会影响氨的利用效率和氮氧化物的脱除效果。
2. 3 锅炉负荷对还原剂分布的影响 
在100%锅炉负荷时喷枪A还原剂雾化分布情况要明显优于喷枪B;但随着锅炉负荷降低，烟气量减小，将对还原剂混合产生一定的影响。因此针对锅炉70%负荷时的喷枪A使用状况进行模拟，计算结果如图7所示。此时高于20%平均浓度时的覆盖面积为99.7%，均值偏差80%范围时的覆盖面积为89.7%，并且还原剂的穿透距离未触及锅炉壁面，不会对锅炉的运行安全带来影响。虽然负荷下降时烟道内流速均有一定程度的下降，但还原剂总体混合效果好于锅炉100%负荷时的设计条件。
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工程实验
根据数值模拟的结果，在广东某纸厂的75t/hCFB锅炉上进行了脱硝改造，并使用了表1中2种喷枪进行了氨水法SNCＲ实验，对模拟中的不同雾化粒径的脱硝性能进行了对比研究。
3. 1 还原剂粒径对脱硝效率的影响
在本次工程实验中对此进行对比验证，给出在NSＲ为1.5时2种喷枪在不同锅炉负荷时对脱硝效率。喷枪A以NSＲ=1.5进行氨水喷射，脱硝效率先随着锅炉负荷的上升而增加，当负荷达到75%时，得到最大脱硝效率为72%;随后锅炉负荷增加，脱硝效率呈现下降趋势;而喷枪B在同样条件下，脱硝效率较喷枪A低约8%～10%，且最高效率出现在锅炉70%负荷附近。出现此情况的原因为:使用喷枪B时，还原剂的雾化面积较小，还原剂的混合效果较差，导致脱硝效率低于喷枪A，且喷枪B随着负荷变大，脱硝效率呈现较大幅度的下降;但是喷枪B雾化颗粒在低温下易蒸发，因此在负荷较低(反应区间温度较低)时，具有相对较高的效率。
. 2 氨氮比比较
氨氮比(NSＲ)对脱硝效率的影响至关重要，是考虑脱硝工程经济性的主要参数，因此，在本工程实验对NSＲ进行了相关研究。考虑到喷枪A与喷枪B的脱硝效率相差较大，工程实验阶段仅选取了锅炉常用的负荷段(90%BMCＲ)进行比较，并将脱硝效率设定为两种喷枪都能达到的60%。经测试，喷枪A的NSＲ为1.3，而喷枪B的NSＲ为1.5;喷枪B的NSＲ较喷枪A高13%左右。分析其原因为粒径过小时造成氨的覆盖面积过小，因此为实现相同的脱硝效率，需增加还原剂耗量。此验证了2.2数值模拟分析结果的合理性。
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结 论 
首先对两种雾化粒径的喷枪进行数值模拟研究，以设定NH3浓度的覆盖面积的大小表征循环流化床锅炉的脱硝效率，其后通过75t/hCFB锅炉脱硝工程运行实验，对两种喷枪进行性能对比，通过分析总结得到以下结论:

(1)在CFB锅炉SNCＲ中，适当大颗粒的粒径有利于还原剂在分离器内分布均匀，并可获得较好的脱硝效率;喷枪粒径过细，将造成氨水在分离器内部的较早蒸发，从而无法实现还原剂在烟道内的良好分布，影响脱硝效率以及氨氮比(NSR)。

(2)通过工程实验验证比对，NSＲ=1.5时选定的浓度偏差范围内(浓度均值偏差80%)，还原剂覆盖面积大于80%时，脱硝效率可达到65%以上。


(3)同样条件下，雾化粒径D50=102μm的喷枪比雾化粒径D50=59μm的喷枪可提高脱硝效率8%～10%，同时可降低氨氮比NSR13%。

 

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