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SNCR 脱硝技术在循环流化床中的应用 王岳军 1 刘学炎 1 李世远 1 虞廷兴 1 莫建松 1 钟晓雨 2 1． 浙江天蓝环保技术股份有限公司， 杭州 311202; 2． 丹麦弗洛微升有限公司北京代表处， 北京 100102 摘要 利用 CFD 进行数学建模， 分析了某厂 220 t/h CFB 锅炉的温度及流场分布情况。在此基础上， 针对性的设计开 发了满足工艺要求的喷枪并对喷射位置进行了优化， 模拟了还原剂与烟气混合情况， 确定了工程设计参数。工程测试 结果表明， 系统脱硝效率及氨逃逸率均达到设计要求， 其中脱硝效率最高可超过 75 。 关键词 SNCR; 脱硝; CFB 锅炉;CFD THE APPLICATION OF SNCR DENOXTECHNOLOGY IN THE CFB BOILER Wang Yuejun1Liu Xueyan1Li Shiyuan1Yu Tingxing1Mo Jiansong1Zhong Xiaoyu2 1． Zhejiang Tianlan Environmental Protection Technology Co． ， Ltd， Hangzhou 311202， China; 2． Flowvision A/S Beijing Representative Office， Beijing 100102， China AbstractThe temperature and flow distribution in a 220 t/h CFB boiler was firstly simulated by CFD． Based on the CFD simulation， the perance of the spray guns was purposefully designed and their injection positions were optimized for this project． Furthermore， the mixture of the reagent dose and flue gas was also simulated， which was used to guide the DeNOx design． Actual testing of the project showed that the DeNOx efficiency and the ammonia slip all reached the designed value． The DeNOx efficiency even exceeded 75 in the actual testing． KeywordsSNCR;DeNOx;CFB Boiler;CFD 氮氧化物 NOx 为世界各国公认的主要大气污 染物， 是形成酸雨﹑破坏臭氧层﹑形成光化学烟雾﹑ 影响生态环境和全球变暖的主要因素。近年来我国 NOx 排放总量持续增长， 2011 年 16 月 NOx 排放量 统计结果显示 NOx 排放总量 1 206. 7 万 t， 比 2010 年同期增长 6. 17 。如此巨大的排放量， 势必对公 众健康、 生态环境和社会经济造成严重影响。工业 NOx 排放量占 NOx 排放总量的 50 ， 其中燃煤排放 占 70 ， 工业锅炉是重要的 NOx 排放源 ［1- 4］。 目前主要的脱硝技术有选择性催化还原 SCR 技术、 选择性非催化还原 SNCR 技术及 SNCR-SCR 联合脱硝技术等 ［5- 8］。由于投资费用， 锅炉空间布置 及反应温度等的要求， SCR 技术难以在普通工业锅炉 进行大面积推广应用。现有的对 SNCR 脱硝技术脱 硝效率低， 难以超过 50 等认识均是基于大型火电 厂锅炉的试验而来， 主要原因是大型火电厂锅炉炉膛 尺寸大， 结构复杂， 无法保障还原剂与烟气的混合程 度。然而工业锅炉特别是循环流化床锅炉的炉膛尺寸 普遍较小， 且内部流场简单， 烟气温度在 840 ～950 ℃之 间， 对现有的还原剂喷射混合系统来说完全可以满足 还原剂与烟气混合要求， 是理想的 SNCR 脱硝技术应 用场所， 理论上可具有较高的脱硝效果。 但是 SNCR 技术脱硝效率受还原剂与烟气的混 合度、 氨氮摩尔比 NSR 、 以及温度等因素的影响， 工 艺设计较为复杂。基于此， 针对某厂 SNCR 脱硝工 程， 本文首先对锅炉的燃烧过程进行数值模拟， 通过 流场分布情况对喷枪布置进行优化设计， 而后根据优 化结果确定锅炉开孔位置并进行实际工程测试。 1工艺流程 SNCR 脱硝技术是一种成熟的 NO 控制处理技 术， 把炉膛作为反应器， 在 850 ～ 1 050 ℃ 条件下， 将 氮的还原剂喷入烟气中， 把 NOx 还原， 生成水和氮气， 从而达到脱除 NOx 的目的。在一定温度范围和有氧气 的情况下， 还原剂对 NO 的还原反应在所有化学反应中 占主导， 表现出选择性， 因此称之为选择性非催化还原。 本脱硝工程为 220 t/h 循环流化床锅炉 CFB ， SNCR 脱硝装置由氨水加注模块、 氨水储罐模块、 氨 水输送模块、 稀释水模块、 计量混合模块、 喷射模块和 控制模块等组成。工艺流程如图 1 所示。 95 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 图 1 SNCR 工艺流程 配比的还原剂浓度对锅炉热效率的影响计算表 明， 本工程中喷入的还原剂对锅炉的热效率影响小于 0. 3 ， 脱硝工程不会影响锅炉的正常运行使用。 2CFD 数值模拟 本 SNCR 系统模拟根据实际工程进行物理建模， 并采用 25 的氨水溶液作为还原剂， 由于工艺要求 还原剂在旋风分离器进口前完全蒸发并分布均匀， 因 此对喷枪的位置和分布有严格的要求。基于此需对 整个锅炉系统进行详细数值模拟， 然后根据流场分布 情况和喷枪的性能来设计喷枪的位置和分布。 2. 1几何模型 基于项目数据， 该模型主要包括燃烧床层部分， 锅炉壁， 挂式过热器， 2 个旋风分离器， 以及旋风分离 器下游的预热器部分， 如图 2 所示。 图 2模拟用几何模型 烟气相为该模拟的重点， 燃烧流化床中存在的固 相和回料中的颗粒在该模型中将被忽略。主要模拟 烟气在锅炉， 旋风分离器以及空气预热器部分的流 动。模拟中燃烧床层部分作为热源， 一次风由锅炉底 部进入。锅炉内流化床部分主要是释放热量以达到 预期的温度。烟气流量为 224 800 m3/h， 一次风进气 温度约 140 ℃ ， 燃烧后烟气的温度将提高到996 ℃ 。 本工程模拟中， 未考虑灰在管道内的沉积情况。 2. 2温度分布 图 3 给出锅炉内不同部位的烟气温度。由图 3 可知 在有水冷壁管， 挂式再热器以及预热器时， 旋风 分离器入口处烟气温度将会降到 940 ℃ ， 这也符合设 计的温度区间 920 ～ 950 ℃ 。根据锅炉的设计， 连接 烟道之间以及分离器壁处也安装了水冷壁管， 此时从 锅炉的出口到分离器出口之间烟气的温度也将会下 降。在分离器的出口处， 烟气的温度大约在 900 ℃ ， 在计算时， 分离器出口处烟气的温度大约为 910 ℃ ， 满足 SNCR 反应的条件。基于此， 本工程考虑将喷枪 布置于烟气水平烟道处， 并对水平烟道进行了流场 分析。 图 3分离器中心不同截面的温度分布 06 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 2. 3流动曲线和特性 图 4 给出了锅炉和分离器内烟气流动曲线， 在 图 4中不同流速的路径以不同的颜色表示。由图 4 可知 烟气在燃烧床处平均分布， 然后向上流动通过 锅炉和分离器之间的连接烟道并以 21. 3 m/s 的流速 进入分离器， 在分离器内壁循环分离出大的煤颗粒然 后继续流向分离器下游的预热器部分。 图 4以不同颜色区别流速的炉内流动曲线 图 5 所示为流动的方向和分离器内典型的流动 特性。烟气以切线方向进入旋风分离器， 在旋风分离器 外侧螺旋向下流动， 最后在分离器的中心处上升流出。 图 5旋风分离器内速度矢量分布 从图 4 和图 5 可知 水平烟道在垂直方向速度分 布较均匀 上下壁除外 ， 而在水平方向速度分布则 偏向外侧分布， 因此可以作为喷枪的分布设计依据。 2. 4喷枪布置 基于上述温度和流场分析， 本工程考虑将喷枪布 置于烟气水平烟道处。在 SNCR 系统中， 设计喷射位 置优化时最需要考虑的就是要在正确的温度区间内 获得足够的停留时间， 同时使还原剂和烟气之间具有 较好的混合。 结合数值计算结果和喷枪的性能， 本文设计每侧 旋风分离器进口配 5 个喷枪喷射点， 水平烟道外侧和 内侧分别布置 3 个和 2 个喷射点， 进行交叉布置， 对 喷混合。 2. 5还原剂流动轨迹 图 6 给出了在开孔喷射位置条件下还原剂的流 动轨迹。从图 6 可知 还原剂液滴布满了烟道水平方 向， 说明喷射距离刚好满足要求， 并且在旋风分离器 进口处全部蒸发， 满足工艺设计要求。 图 6还原剂的流动轨迹 以颜色区分蒸发时间 2. 6还原剂浓度分布 图 7 和图 8 给出了根据前述要求设计的喷枪所 喷出还原剂在烟道里面的混合情况。图 7 给出的是 平均值有 50 偏离时的数值， 图 8 表示与平均值有 80 偏离时的数值。由于喷射位置距离入口很近， 还 原剂溶液没有足够的时间去和烟气良好混合。图中 空白部分表示不在定义的偏离范围内的区域。两种 情况下在分离器入口处， 烟气都不能与还原剂很好的 混合。低浓度部分将引起烟气 NOx 的不完全反应， 而高浓度部分会导致氨逃逸。基于对旋风分离器的 流场和温度分析， 分离器内部的烟气流动形式有助于 实现还原剂和烟气 图 4 和图 5 的良好混合， 此时主 要考虑的分离器出口处的混合效果及后续反应时间。 图 7分离器入口处还原剂的浓度分布 偏离均值 50 图 9 给出了单侧旋风分离器出口处还原剂浓度 的标准分布， 偏离平均值的范围为 － 1 ～ 1 ， 在 16 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 此截面上还原剂和烟气有着极好的混合。停留时间 按照从还原剂完成蒸发直到分离器出口处计算， 大约 为 0. 5 s， 且出口处到温度降到 800 ℃ 处的烟气停留 时间将近 0. 1 s， 总时间满足 SNCR 系统要求的最少 停留时间。 图 8分离器入口处还原剂的浓度分布 偏离均值 80 图 9分离器出口处的标准化的还原剂浓度分布 3工程实施 在不同工况参数下， 系统的脱硝效率见表 1， 其 中烟气 NOx 初始浓度为 298 mg/m3。 表 1脱硝效率与氨逃逸 锅炉负荷 / th － 1 温度 / ℃ 出口 NOx/ mgm－3 脱硝效率 / 氧含量 / 氨逃逸 / mgm－3 NSR/ th － 1 178863. 87176. 24. 64. 61. 3 202892. 09269. 14. 13. 71. 3 213923. 09368. 84. 74. 11. 3 220942. 18671. 13. 54. 31. 3 230950. 011860. 43. 45. 11. 3 220940. 06877. 13. 24. 31. 4 由表 1 可以看出 SNCR 脱硝系统的脱硝效率都 在 60 以上， 氨逃逸都在 10 mg/m3以下， 最低可以达 到 2. 7 mg/m3。在锅炉负荷较低的条件下， 系统有较 高的脱硝效率， 随着负荷不断增大， 脱硝效率有所下 降。在 NSR 为 1. 3 的情况下， 脱硝效率和氨逃逸均 达到设计要求。在进一步提高 NSR 到 1. 4 的情况 下， 脱硝效率超过 77. 2 。 4结语 通过对 CFB 锅炉内温度场， 流场及流态分析， 获 得了锅炉内部的温度及流场分布。根据锅炉实际条 件及流速分布对喷枪布点进行了优化， 为工程测试提 供了设计依据。实际运行测试表明， 经过合理设计的 本 SNCR 脱硝工程具有较高的脱硝效率， 在 NSR 为 1. 3 时， 脱硝效率均在 60 以上， 同时氨逃逸保持在 10 mg/m3以下， 符合设计排放要求。同时进一步提 高 NSR， 脱硝效率还可以进一步提高。 参考文献 ［1］田贺忠， 郝吉明， 陆永琪， 等． 中国氮氧化物排放清单及分布特 征［J］． 中国环境科学， 2001， 21 6 493- 497． ［2］赵钦新． 我国工业锅炉未来发展分析［ J］ ． 工业锅炉， 2007 1 1- 9． ［3］何心良． 我国工业锅炉使用现状与节能减排对策探讨［J］． 工 业锅炉， 2010 3 1- 8． ［4］周涛， 刘少光， 吴进明． 火电厂氮氧化物排放控制技术［J］． 环 境工程， 2008， 26 6 82- 85． ［5］祝社民， 李伟峰， 陈英文， 等． 烟气脱硝技术研究新进展［J］． 环 境污染与防治， 2005， 9 5 699- 703． ［6］蔡小峰， 李晓芸． SNCR-SCR 烟气脱硝技术及其应用［J］． 电力 环境保护， 2008 3 26- 29． ［7］谭青， 冯雅晨． 我国烟气脱硝行业现状与前景及 SCR 脱硝催化 剂的研究进展［J］． 化工进展， 2011 30 709- 713． ［8］杜云贵， 余宇， 吴其荣． 烟气脱硝系统流场模 拟 与实验研究 ［J］． 环境工程， 2009， 27 S1 255- 272． 作者通信处莫建松311202浙江省杭州市萧山区北干街道兴议 村浙江天蓝环保技术股份有限公司 电话 0571 83787379 E- mailmojs1977 163． com 2012 － 05 － 05 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 欢迎订阅 环境工程 杂志邮发代号 82 －64 26 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期