还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉SNCR脱硝性能影响研究.pdf

摘要为提升燃煤循环流化床锅炉的选择性非催化还原（SNCR）脱硝性能，进行了还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能影响的研究。以 Fluent 软件中的离散模型为基础完成 SNCR 模型的构建。选择壁面喷射模拟喷枪类型，在氨氮比（理论等效比）为 1.5 的条件下，以喷枪位置、喷枪数量、喷射速度、雾化粒径和角度作为还原剂雾化效果评价指标，测试了燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝效率。结果表明：当喷枪位置处于 X=5 m、喷枪个数为 6 个、喷射速度为 25 m/s、喷枪雾化粒径为 100 滋m、雾化角度为 25毅时，还原剂雾化效果最好，燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝效率最高为 48.23%。关键词循环流化床锅炉；选择性非催化还原；脱硝性能；雾化效果；还原剂；喷枪文章编号：1005-9598(2023)-05-0080-05中图分类号：TK229.6文献标识码：A还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉SNCR 脱硝性能影响研究周迎迎，李阳（河南平煤神马东大化学有限公司，河南开封 475000）收稿日期：2023-05-03第一作者：周迎迎（1985），女，汉族，河南开封人，工程师，学士，2013 年本科毕业于河南大学化学工程与工艺专业，现从事化工环保方面的工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.05.019引用格式：周迎迎，李阳.还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能影响研究J.煤化工，2023，51（5）：80-84.工业化的发展给人类的生存和发展带来了严重的生态污染问题，尤其是矿物能源的过度开发，对生态环境造成了极大影响1。燃煤循环流化床锅炉在燃烧过程中会释放出氮氧化物和 SO2等污染物，快速污染空气并阻塞催化床层2。选择性非催化还原（SNCR）技术是一种易于实现的氮氧化物控制和处理技术，它可在 850 1 175 的高温下，用一根喷嘴将还原剂喷入到熔炉中，使其与含氮烟气完全混合，从而实现气相均相的迅速反应3。虽然这个反应要求氧的加入，但其对氧的消耗量较少，对整个锅炉的氧含量几乎没有任何影响。贾新春等4为高效、精准地调控氮氧化物含量，以 SNCR 脱硝系统为研究对象进行建模。将贝叶斯信息判据和最小二乘法结合在一起，给出了脱硝系统的离散转移方程组，并提出了一种新的差分反相灰狼算法。利用此方法对模型的参量和滞后性进行优化，结果表明：差分反相灰狼算法具有较高的识别准确率。陈金宝等5以高温管式加热炉为实验装置，进行了生物油添加量、氨氮比和氧气含量等因素对脱硝性能的影响分析。根据 SNCR 的基本原理和生物油的热解产物组成，探讨了在烟道中加入生物油后 SNCR 脱硝的机制。实验发现：加入生物油会使 SNCR 的升温范围更大，当温度在 700 900 时，脱硝效果显著提高，而氮氧化物的质量分数在 10%时，脱硝效果可提高21%左右。SNCR 工艺中 CO 的排放量随着生物油加入量的增大而增大，但在 800 和氧气体积分数 4%的条件下，CO 的排放量几乎为 0。若还原剂雾化效果不佳，那么未反应的还原剂可能会以氨逃逸的形式排出，既浪费了资源，又可能造成二次污染。基于以上研究背景，本文以喷枪位置、数量、喷射速度、雾化粒径和角度作为还原剂雾化效果评价指标，对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能进行分析，从而达到降低氮氧化物污染的目的。1实验1.1实验材料及仪器实验材料：尿素，四川美丰化学试剂有限公司；蒸第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.5Oct.2023第 51 卷第 5 期馏水，云南丹巴水业有限公司；NH3，河南源正特种气体有限公司；NOx，重庆圣马气体有限公司。以上材料均为化学纯。实验设备（仪器）：燃煤锅炉，型号 DHX，河南省恒信锅炉制造有限公司；喷枪，型号 GH-4，中山市乾泰抛光材料有限公司；计算机及 ANSYS 软件。1.2选取多相流模型还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能影响的实验会涉及水珠和气体两相流模型。本文利用 Fluent 软件中的离散模型完成 SNCR 模型的构建6，其不仅可计算离散相和连续相的热质交换，还可对离散相模型的颗粒轨迹进行跟踪。1.3SNCR 反应过程的初步设计1.3.1模拟喷枪类型的选定根据还原剂加入燃煤循环流化床锅炉的方式，将模拟喷枪类型分成炉内喷射和壁面喷射两类7-8。炉内喷射是将喷枪注入燃煤循环流化床锅炉内部，并在其轴线方向上设置多个喷孔，将还原液喷出。该工艺具有很大的覆盖面，并且与锅炉壁面保持一定距离，不会对壁面产生任何腐蚀，但在长时间使用后，喷嘴会被温度极高的烟雾侵蚀，从而导致喷嘴发生畸变9，所以这种喷涂方式对喷枪的制造技术有很高的要求。壁面喷射是将喷枪直接装在炉壁处，喷嘴稍向外凸出到燃煤循环流化床锅炉内部，但还没有达到较高的温度范围，因而不会被热空气侵蚀。但是，因为喷枪距离燃煤循环流化床锅炉中心比较远，再加上烟尘的阻力和还原剂自身的黏性10，特别是在比较大的锅炉内，会对还原剂与烟尘的混炼产生一定干扰，从而使脱硝效率下降。壁面喷射作为燃煤循环流化床锅炉常用方式，可以将燃料和空气更好地混合，从而促进更完全的燃烧，提高燃烧效率，同时减少未完全燃烧的燃料颗粒和烟尘排放，降低污染物的排放量。本文模拟了壁面喷雾系统，依据其工作特性，将还原剂的喷射速度设置在 30 m/s 以上，粒径在 50 滋m400 滋m，平均粒径为 100 滋m 左右。在实际操作中，雾化粒径越小，还原剂与烟尘的整体接触区域越广，脱硝效果愈佳。但是 SNCR 工艺在实施过程中，由于粒径太小11，导致了脱硝反应后的还原剂动力不足，无法到达炉内深处；但如果雾化粒径太大，即使渗透率够高，也会导致其在一定时间内挥发不充分，进而容易使氨气大量逸出。因此，本文将粒径作为一个参数，来探讨它对脱硝效果的影响。同时，雾化角度也很重要，尽管单一喷嘴具有很大的覆盖面，但是由于动量不够，很难到达炉心，而且在较低的雾化角度下需要安装多支喷嘴，操作和维修都比较烦琐12。1.3.2氨氮比的选定火力发电厂会将袋装的尿素调配成液体，考虑到成本、储存空间、储存难度等因素13，一般将尿素调配到质量分数为 50%，但在实际工程中，要求尿素的质量分数不高于 10%，因此，厂家会将其稀释到需要的浓度。本文以质量分数 5%的尿素溶液进行了仿真试验。燃煤循环流化床锅炉出口烟尘的质量流量为23.76 kg/s，而在出口处的氧化氮体积分数为 0.00 019，因此，可计算得到出口处氧化氮 的质 量流量 为4.54110-3kg/s。氨氮比（NSR）即 NH3与 NOx的理论等效比14，对于反应的速率和程度起着关键作用。在特定的浓度下，NH3的逸出量越大，还原速率越快，还原效率越高，而 NH3浓度越高，则越容易引起 NH3逸出。大量试验结果显示：当氨氮比为 1.5 时，脱硝效果最佳15，因此，本文的氨氮比设置为 1.5。2结果与分析为分析还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉SNCR 脱硝性能影响，以喷枪位置、数量、喷射速度、雾化粒径和角度作为还原剂雾化效果评价指标，利用式（1）计算 SNCR 脱硝效率 浊NOx（%），即：浊NOx=cNOx0-cNOx1cNOx0100%（1）式中：cNOx0表示还原剂喷入之前的 NOx质量浓度，mg/m3；cNOx1表示还原剂喷入之后的 NOx质量浓度，mg/m3。燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能的指标不仅包括 SNCR 脱硝效率，还包括氨逃逸量，通常情况下，SNCR 脱硝的氨逃逸量应控制在 510-6以内。2.1喷枪位置对 SNCR 脱硝效率的影响由于尿素与 NOx发生反应的温度在 900 1 200之间，以 Z 轴以上 8 m 处为原点布置喷枪，将喷枪所在位置对应的 X 轴坐标作为唯一变量，其他条件为定量。结合燃煤循环流化床锅炉的温度场和速度场，在 X=4 m、5 m、6 m、7 m 所对应的锅炉壁面上分别设置一竖排喷枪，将其沿着锅炉壁面围成一圈。考虑到燃煤循环流化床锅炉的结构是对称的，本文只对一半锅炉进行验证。在燃煤循环流化床锅炉内部布置 10 个喷枪，喷射速度为 50 m/s，还原剂雾化范围的圆锥角度为 45 毅，粒径为 100 滋m，实验工况的设计情况如表 1 所示。周迎迎等：还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能影响研究81-2023 年煤 化 工由表 1 可知：喷枪位置与气固分离口越接近，SNCR 脱硝效率越低，氨逃逸量反而越大。原因是喷枪与出口的距离越近，还原剂与烟气混合的时间越短，会随着烟气漂移到燃煤循环流化床锅炉外部，因此将喷枪位置设置在 X=7 m 时的 SNCR 脱硝效率最低，氨逃逸量最大，相比于 X=5 m 的位置，还原剂在 X=6 m处喷出的效果较差。当喷枪处于不同位置时，脱硝后的 NOx浓度会发生一定变化，脱硝后的 NOx浓度分布情况如图 1 所示。由图 1 可以看出：随着喷枪与出口的距离逐渐变短，反应区域逐渐减小。当喷枪处于 X=4 m 处时，反应区域长而窄，原因是此时喷枪所处位置在燃煤循环流化床锅炉 X 轴的正中间，烟气向上流动的趋势更加明显，因此，还原剂会被烟气带到燃煤循环流化床锅炉的顶部，无法充分与锅炉底部的烟气混合。当反应温度比锅炉窗口温度高时，还原反应被阻止，加大了NOx的生成，脱硝效率偏低。2.2喷枪数量对 SNCR 脱硝效率的影响将喷枪布置在 X=4 m 和 5 m 处，喷枪数量作为变量，其他条件为定量，根据燃煤循环流化床锅炉的尺寸，设置喷枪的数量为 4 个、5 个、6 个和 7 个。喷枪数量不同时，SNCR 脱硝效率如表 2 所示。由表 2 可知：随着喷枪数量的增加，SNCR 脱硝效率逐渐增大，但是当喷枪数量增加到一定量之后，由于单个枪口的喷射流量逐渐下降，容易导致 SNCR 脱硝效率提高的速度变慢。当喷枪位置在 X=5 m 时，即使喷枪数量的增加会使还原剂的分布更加均匀，但是单个枪口还原剂喷出量越来越少，因此脱硝效率变化不明显。2.3喷射速度对 SNCR 脱硝效率的影响尿素在温度比较高的燃煤循环流化床锅炉内无法长时间存在，必须与烟气迅速混合，否则还原剂就会被氧化成氮气或者一氧化氮，因此尿素与烟气混合后的均匀程度会严重影响 SNCR 脱硝效率。本文将喷射速度设置为 20 m/s、25 m/s、30 m/s 和 35 m/s，当喷枪布置在 X=4 m 和 5 m 处时，计算了 SNCR 脱硝效率，结果如表 3 所示。由表 3 可知：随着喷射速度的增加，不同位置的SNCR 脱硝效率出现不同的变化趋势，如 4 m 处的效率呈现减小趋势，而 5 m 处的效率出现先减小后增大的趋势。还原剂的喷射速度逐渐增大时，流体的刚性和穿透力也会逐渐增加，可有效提高还原剂与烟气的混合效果；喷射速度的继续增大，不同位置的 SNCR 脱硝效率缓慢下降，原因是喷射流体的刚性提高，会影响燃煤循环流化床锅炉内壁烟气与还原剂的混合效果。对于氨逃逸指标而言，喷枪在 X=5 m 处的氨逃逸量大于 X=4 m 处，而且随着喷射速度的增加，氨逃逸量也逐渐增加，但是并不是喷射速度越小越好。表 1不同喷枪位置工况下的 SNCR 脱硝效率X 轴坐标/m4567脱硝效率/%47.2847.8641.0733.69氨逃逸量/10-63.641.684.9411.97X=4 mX=5 mX=6 mX=7 m图 1脱硝后 NOx浓度分布图表 2喷枪数量不同时 SNCR 脱硝效率X 轴坐标/m45454545喷枪数量/个4567脱硝效率/%46.2348.1947.3847.9647.0348.1447.6748.56氨逃逸量/10-62.862.484.031.583.592.963.873.16表 3不同喷射速度下的 SNCR 脱硝效率X 轴坐标/m45454545喷射速度/（m s-1）20253035脱硝效率/%47.2647.9346.8447.8846.8547.7646.6747.89氨逃逸量/10-62.473.524.896.006.477.407.267.8082-第 51 卷第 5 期2.4还原剂雾化粒径对 SNCR 脱硝效率的影响当还原剂的流量不变时，雾化粒径较小的还原剂表面较大，容易挥发，可提升与烟气的混合效果。但是雾化粒径越小，它的动力会更低，更难进入炉心，容易在炉壁上挥发，不会和燃煤循环流化床锅炉中间的烟气发生化学反应。而雾化粒径太大，在一定时限之内，还原剂不能充分挥发，当还原剂还是水珠的时候，就会被排出炉外，不但没有达到还原标准，还会导致大量的 NH3逃逸。因此，实验将喷枪雾化粒径设置为100 滋m、200 滋m、300 滋m 和 400 滋m，计算了 SNCR 脱硝效率，结果如表 4 所示。由表 4 可知：当雾化粒径为 100 滋m 时，两个不同位置的还原剂反应速率都是最大的，并且脱硝效率非常相近。随着雾化粒径的继续增加，不同位置的 SNCR脱硝效率会显著下降，这是由于雾化粒径太大，在一定的时间里，液滴不可能完全挥发，在与烟气发生反应之前，就会被排出炉外。当雾化粒径为 200 滋m 和 300 滋m 时，X=4 m 处还原剂的 SNCR 脱硝效率比 X=5 m 处大，原因是当喷枪位置在 X=4 m 时，还原剂与燃煤循环流化床锅炉出口之间的距离变大，水珠在锅炉内壁停留的时间会变长，因此增大了 SNCR 脱硝效率。以上结果显示：随着雾化粒径的增大，SNCR 脱硝效率先减小后增大，需要在还原剂的穿透性和与烟气的接触面上寻找一个平衡点。2.5喷枪雾化角度对 SNCR 脱硝效率的影响合理的雾化角度才可提高燃煤循环流化床锅炉的 SNCR 脱硝性能，本文将雾化角度设置为 25 毅、35 毅、45 毅和 55 毅，计算了 SNCR 脱硝效率，结果如表 5 所示。由表 5 可知：当喷枪位置在 X=5 m 时，还原剂在不同雾化角度下的还原效率均高于在 X=4 m 处，而且随着雾化角度的增大，不同位置的 SNCR 脱硝效率逐渐下降。当喷枪位置在 X=5 m、雾化角度为 25 毅时，SNCR 脱硝效率为 48.23%；当雾化角度为 55 毅时，SNCR脱硝效率为 47.73%，脱硝效率降低了 0.5 个百分点。当喷枪位置在 X=4 m 时，随着雾化角度的增加（从 25 毅到 55 毅），SNCR 脱硝效率下降了 1.34 个百分点，降幅比 X=5 m 处偏大。以上分析说明合理的雾化角度可提高燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能。3结语本文研究了还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能的影响，通过 Fluen 软件的离散模型构建了 SNCR 模型，探讨喷枪位置、喷枪数量、喷射速度、雾化粒径和角度对 SNCR 脱硝效率的影响。但是本文的研究还存在很多不足，在今后的研究中，希望可考虑其他影响还原剂雾化效果的因素，进一步提升还原剂的雾化效果，以保证燃煤循环流化床锅炉SNCR 脱硝性能。参考文献：1 亢辰辰.山西焦化焦炉烟气脱硫脱硝超低排放改造方案选择及应用J.煤化工，2022，50（2）：52-55，63.2 杨栩聪，廖艳芬，林涛，等.350 t/d 垃圾焚烧炉污泥掺混燃烧与 SNCR 脱硝特性的数值模拟J.中国电机工程学报，2020，40（21）：6964-6973.3 金森旺，吴芳，孙献斌，等.床温及 SNCR 脱硝对 CFB锅炉 NOx和 N2O 排放影响的试验研究J.热力发电，2020，49（5）：104-110.4 贾新春，陈皓炜，侯鹏飞，等.基于差分对立灰狼算法的 SNCR 脱硝系统模型辨识J.山西大学学报（自然科学版），2022，45（4）：960-967.5 陈金宝，罗俊伟，杨文海，等.添加生物油对垃圾焚烧烟气选择性非催化还原脱硝的强化作用及其机理J.环境工程学报，2021，15（11）：3589-3597.表 4雾化粒径不同时的 SNCR 脱硝效率X 轴坐标/m45454545雾化粒径/滋m100200300400脱硝效率/%47.3648.0942.2433.0830.6928.4730.6534.16氨逃逸量/10-63.162.864.787.899.479.869.367.49表 5雾化角度不同时的 SNCR 脱硝效率X 轴坐标/m45454545雾化角度/毅25354555脱硝效率/%47.4848.2346.5947.8746.5847.8646.1447.73氨逃逸量/10-67.26.46.87.36.76.86.74.95周迎迎等：还原剂雾化效果对燃煤循环流化床锅炉 SNCR 脱硝性能影响研究83-2023 年煤 化 工6 原奇鑫.超临界 CFB 旋风分离器选择性非催化还原脱硝特性模拟J.热能动力工程，2019，34（8）：109-115.7 薛现恒，邓雨生，段伦博，等.基于 410 t/h Compact 型流化床锅炉的 SNCR 影响因素探究J.锅炉技术，2019，50（3）：30-35.8 陈海杰，马务，刘贡祎，等.W 火焰锅炉 SNCR 脱硝及其对 SCR 入口流场的影响J.中国电力，2019，52（7）：146-153.9 张浩强.燃煤电厂烟气含水量对活性焦脱硝效率的影响研究J.煤化工，2022，50（3）：116-120.10 白昊，张健，张忠孝，等.330 MW 电站煤粉锅炉高温主燃区喷氨脱硝的试验研究J.动力工程学报，2022，42（6）：537-543，588.11 练以诚，刘万超，康泽双，等.干法高效选择性非催化还原脱硝技术在铝用炭素煅烧炉烟气脱硝的应用J.轻金属，2019（5）：58-61.12 辛胜伟，韩平，段彩丽，等.300 MW 机组循环流化床锅炉选择性非催化还原系统模拟及优化研究J.热力发电，2021，50（11）：122-129.13 王亚丽，秦楠楠，李楠，等.钙基颗粒对分解炉内选择性非催化还原法脱硝影响的研究进展J.科学技术与工程，2020，20（9）：3363-3369.14 张乐宇，张忠孝，陈立新，等.水泥分解炉 SNCR 脱硝的数值模拟研究J.上海理工大学学报，2019，41（1）：14-21.15 赵文霞，柴子茹，边永欢，等.农林生物质锅炉烟气排放特性及其 SNCR 脱硝效果的数值模拟J.环境工程学报，2022，16（10）：3355-3366.Study on influence of reducing agent atomization effect on SNCR denitrification performance ofcoal-fired circulating fluidized bed boilerZhou Yingying,Li Yang(Henan Pingmei Shenma Dongda Chemical Co.,Ltd.,Kaifeng Henan 475000,China)AbstractIn order to improve the SNCR denitrification performance of coal-fired circulating fluidized bed boiler,astudy was conducted on the influence of reducing agent atomization effect on the SNCR denitrification performance of coal-fired circulating fluidized bed boiler.The construction of SNCR model was completed based on the discrete model in Fluentsoftware.The SNCR denitrification efficiency of a coal-fired circulating fluidized bed boiler was tested by selecting a wallspray simulation airbrush type and using the airbrush position,number,injection speed,atomization particle size and angle asthe evaluation indicators for the atomization effect of the reducing agent under the condition of an ammonia nitrogen ratio of1.5(theoretical equivalence ratio).The results showed that when the airbrush position was at X=5 m,the number of airbrushwas 6,the spray speed was 25 m/s,the atomization particle size of the airbrush was 100 滋m and the atomization angle was 25 毅,the atomization effect of reducing agent was the best,and the highest SNCR denitrification efficiency of coal-fired circulatingfluidized bed boiler was 48.23%.Key wordscirculating fluidized bed boiler;SNCR曰 denitrification performance;atomization effect;reducing agent;airbrush新疆氢能产业发展联盟成立2023 年 9 月 26 日，经新疆维吾尔自治区民政厅批复同意，新疆氢能产业发展联盟正式成立。该联盟在新疆维吾尔自治区发改委指导下，由华电新疆发电有限公司牵头发起，联合国网新疆公司、高校科研院所、发电企业、制造企业、化工企业等 110 家单位共同成立。联盟旨在进一步促进氢能行业协同创新，推动成果转化落地，加快拓展氢能应用场景，推进氢能产业制、储、运、加、用一体化发展，带动全产业链发展落地，打造良好的产业生态。（全国煤化工信息总站编辑整理）窑简讯窑84-