600 MW超超臨界“W”型火焰鍋爐SNCR脫硝的數(shù)值分析

張澤玉 連長(zhǎng)康 任庚坡 呂宏俊

1.深圳市格瑞斯達(dá)科技有限公司

2.上海市節(jié)能中心

0 概述

“W”型火焰鍋爐有效提高了燃煤適應(yīng)性、低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)燃燒能力和飛灰燃燼率，在燃料著火、火焰穩(wěn)定和燃料燃燼方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于電站機(jī)組中。我國(guó)現(xiàn)役大型機(jī)組“W”型火焰爐低氮燃燒器改造后的NOx 排放濃度在800～1 200 mg/Nm3之間［1］，遠(yuǎn)高于常規(guī)燃燒方式鍋爐的NOx 排放水平。為達(dá)到國(guó)家超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求，“W”型火焰鍋爐在低氮燃燒器改造后，可采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)來提高脫硝效率，其中，設(shè)置的SNCR 脫硝系統(tǒng)主要用于降低成本、減輕后段SCR脫硝系統(tǒng)的處理壓力，確保整個(gè)脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、高效。

數(shù)值計(jì)算已被廣泛應(yīng)用于大型電站鍋爐燃燒和污染物排放控制領(lǐng)域的研究［2-4］，也是SNCR技術(shù)工程應(yīng)用的一種重要輔助設(shè)計(jì)手段［5-6］。本文借助CFD 軟件平臺(tái)Fluent，對(duì)某600 MW 超超臨界“W”型火焰鍋爐在100%、75%和50%負(fù)荷下的SNCR脫硝過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，將計(jì)算獲得的SNCR 反應(yīng)區(qū)域溫度場(chǎng)、NO 濃度變化、NH3濃度變化等模擬分析成果作為項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)，在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行驗(yàn)證分析，為SNCR 技術(shù)在國(guó)內(nèi)超超臨界“W”火焰鍋爐上的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)支持。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為600 MW 超超臨界“W”型火焰鍋爐，鍋爐及燃料參數(shù)見表1。噴射層布置在＋58.90 m（上層）、＋56.75 m（中層）、＋54.50 m（下層）這三處爐內(nèi)高、低溫區(qū)域；每層共設(shè)置17支霧化噴槍，噴槍的布置形式相同，其中前墻15 支噴槍將霧化氨水噴入爐膛內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)較大的還原劑覆蓋范圍，左右側(cè)墻各1支噴槍補(bǔ)充部分霧化氨水，增加還原劑覆蓋率，噴槍布置見圖1。

圖1 高低溫區(qū)域SNCR噴槍布置示意圖

表1 鍋爐及燃燒主要參數(shù)

圖2 為鍋爐局部區(qū)域模型圖，標(biāo)綠截面為采用壓力出口邊界條件的SNCR出口，用于考查100%、75%、50%負(fù)荷下投運(yùn)對(duì)應(yīng)噴射層SNCR 噴槍時(shí)的脫硝變化。噴射層溫度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)置，100%負(fù)荷時(shí)為1 314 K、75%負(fù)荷時(shí)為1 285 K、50%負(fù)荷時(shí)為1 154 K。100%負(fù)荷下，NOx初始濃度設(shè)置為800 mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），除氧氣、水分外，其他煙氣成分并不影響脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，其組分分布按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置。

圖2 鍋爐SNCR區(qū)域模型

噴槍模擬采用injection方式，噴嘴采用solid-cone型號(hào)，霧化角度30°，常溫下氨水經(jīng)壓縮空氣混合、霧化后噴入，液滴初速度由液體總流量確定，液滴粒徑可通過霧化壓力調(diào)節(jié)，并由激光粒度分析儀測(cè)得，出于簡(jiǎn)化在計(jì)算時(shí)取索特爾平均直徑。標(biāo)準(zhǔn)噴射工況下，噴射速度為50 m/s，平均粒徑為156 μm。

為保證SNCR脫硝效率，并確保后段SCR脫硝系統(tǒng)有足夠的反應(yīng)所需氣氨，且氨逃逸量控制在排放限值之內(nèi)，經(jīng)脫硝物料平衡計(jì)算，在噴入氨水溶液濃度為5%的情況下，100%、75%、50%負(fù)荷時(shí)每個(gè)噴槍流量分別為1 080、792、648 kg/h。性能考核試驗(yàn)時(shí)，在鍋爐正常負(fù)荷范圍內(nèi)，SNCR脫硝效率≥30%。

2 建立模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

湍流模型：鑒于所模擬的“W”型火焰鍋爐為全尺寸建模，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文采用RNG k-ε雙方程模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬。RNG k-ε湍流模型考慮了旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)對(duì)湍流黏度的影響，是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型的進(jìn)一步改善，在模擬旋流流場(chǎng)中大大優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。

離散相模型：采用拉格朗日坐標(biāo)系下跟蹤的方式對(duì)氨水液滴在氣相中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行處理，由于氣體的湍流渦團(tuán)與顆粒相之間的相互作用，認(rèn)為顆粒相運(yùn)動(dòng)符合隨機(jī)軌道模型，因此，在積分計(jì)算顆粒軌跡時(shí)利用軌跡上各點(diǎn)的流體瞬時(shí)速度。另外，顆粒相存在蒸發(fā)、揮發(fā)等過程，所以在離散相與連續(xù)相之間存在耦合傳熱、傳質(zhì)的相互作用。對(duì)氨水溶液液滴而言，在噴射入爐膛之后會(huì)很快揮發(fā)蒸發(fā)［7］。

化學(xué)反應(yīng)模型：對(duì)于氣相的非預(yù)混反應(yīng)和SNCR這類化學(xué)速率相對(duì)較慢的反應(yīng)，不能應(yīng)用“快速反應(yīng)假設(shè)”［8］，采用旋渦/動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬；該模型可以很好地模擬湍流與化學(xué)反應(yīng)的相互作用，在計(jì)算化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)，同時(shí)計(jì)算湍流耗散速率和Arrhenius 速率，然后取其中的較小者。采用的SNCR簡(jiǎn)化模型見表2。

表2 SNCR反應(yīng)機(jī)理及系數(shù)

2.2 建模軟件

采用fluent 軟件進(jìn)行爐內(nèi)燃燒過程的綜合建模。

3 結(jié)果分析

以100%、75%、50%鍋爐負(fù)荷為基準(zhǔn)進(jìn)行SNCR脫硝的數(shù)值模擬研究，100%負(fù)荷時(shí)投運(yùn)對(duì)應(yīng)的上層17 根噴槍、75%負(fù)荷時(shí)投運(yùn)對(duì)應(yīng)的中層17 根噴槍、50%負(fù)荷時(shí)投運(yùn)對(duì)應(yīng)的下層17根噴槍。

3.1 溫度模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

SNCR 脫硝對(duì)反應(yīng)溫度非常敏感，對(duì)溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬是后續(xù)SNCR 脫硝過程準(zhǔn)確模擬的先決條件。如圖3 所示，總體而言，鍋爐的高、低溫區(qū)域各截面溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較理想，絕大部分區(qū)域的煙溫都在900～1 100 ℃之間，這是進(jìn)行SNCR脫硝反應(yīng)比較理想的溫度區(qū)域。

圖3 對(duì)應(yīng)噴射層截面溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比圖

3.2 出口NOx模擬值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

如圖4 所示，當(dāng)對(duì)應(yīng)噴射層的SNCR 噴槍分別投用后，NO 濃度明顯降低，100%、75%、50%鍋爐負(fù)荷下NO 出口濃度值分別為542、472、439 mg/Nm3，脫硝效率分別為32.2%、41.0%、45.1%，均滿足性能考核指標(biāo)“SNCR 脫硝效率≥30%”的要求。

圖4 SNCR出口截面NO分布

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計(jì)的SNCR 脫硝系統(tǒng)調(diào)試、投運(yùn)后，100%負(fù)荷下NOx 排放濃度在420～490 mg/Nm3之間（見表3），脫硝效率均大于30%，驗(yàn)證了SNCR 數(shù)值模擬的有效性和準(zhǔn)確性。由表3 可知，實(shí)測(cè)時(shí)NOx 初始濃度在630～780 mg/Nm3之間，遠(yuǎn)小于NOx 初始濃度設(shè)定值800 mg/Nm3，從SNCR 脫硝反應(yīng)機(jī)理而言，NO初始濃度值越低，達(dá)到同樣的脫硝效率的難度越大，這進(jìn)一步說明了SNCR 脫硝數(shù)值模擬的有效性。

表3 100%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行期間的SNCR脫硝數(shù)據(jù)

3.3 出口氨逃逸量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比

對(duì)于進(jìn)行SNCR 改造的鍋爐，必須將氨逃逸控制在盡可能低的水平［9］；在合適的反應(yīng)溫度的條件下，氨逃逸量主要決定于氣液的混合程度，而受溫度梯度的影響很小。從圖5可見，基本上，隨著氨水溶液噴射量的降低，液滴動(dòng)能減小，其穿透距離降低，SNCR出口的平均氨逃逸量持續(xù)增大，圖5顯示出100%、75%、50%負(fù)荷下SNCR出口的氨逃逸量分別為42、64、75 ppm。這主要是由于噴射的液滴顆粒向爐膛中心運(yùn)動(dòng)，揮發(fā)出的氣氨經(jīng)過過熱器的擾流作用，與煙氣充分混合，并在高溫下迅速反應(yīng)，即使出現(xiàn)局部的氣氨量過剩，在爐膛中心接近SNCR反應(yīng)溫度上限的區(qū)域，也會(huì)被O2迅速氧化；而在動(dòng)能不足的外圍低溫區(qū)，反應(yīng)速率較慢，揮發(fā)出的氣氨尚未反應(yīng)就被煙氣攜帶到上方溫度更低的區(qū)域，最終導(dǎo)致氨逃逸量相對(duì)嚴(yán)重，這與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是一致的。

圖5 SNCR出口NH3濃度分布

4 結(jié)論

以現(xiàn)役600 MW“W”型火焰鍋爐為研究對(duì)象，采用RNG k-ε湍流模型、離散相模型、旋渦/動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)模型及FLUENT 分析軟件，以100%、75%、50%鍋爐負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的熱力計(jì)算參數(shù)作為邊界條件對(duì)SNCR 脫硝進(jìn)行數(shù)值模擬，分析投運(yùn)對(duì)應(yīng)噴射層時(shí)的脫硝規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）爐內(nèi)高、低溫區(qū)域各截面溫度的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合較好，絕大部分區(qū)域的煙溫都在900～1 100 ℃之間。

（2）100%、75%、50%鍋爐負(fù)荷下分別投運(yùn)對(duì)應(yīng)層的17支SNCR噴槍，均能保證還原劑在爐膛中的覆蓋率，氨水揮發(fā)出來的氣氨與NOx 混合均勻，脫硝效率分別為32.2%、41.0%、45.1%，NOx 最終排放濃度分別為542、472、439 mg/Nm3，氨逃逸量分別為42、64、75 ppm。該計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是一致的，驗(yàn)證了SNCR數(shù)值模擬的有效性和準(zhǔn)確性。

（3）實(shí)際運(yùn)行時(shí)，投運(yùn)的噴槍可根據(jù)鍋爐負(fù)荷實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整、組合使用。