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新闻资讯 |
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不同喷枪在CFB锅炉SNCR工程中的应用 |
作 者: 山东成远实业有限公司 |
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。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℃。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。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。1.2.1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，测试结果如表1所示。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。图3和图4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。图3 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。而图 4 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。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。图5和图6给出了进口烟道与分离器切入口交接处的氨气覆盖情况。图中以色彩表示浓度平均值的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。图5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%。图6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。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。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。在本次工程实验中对此进行对比验证，图8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。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。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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