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循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝流场优化研究

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循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝流场优化研究

发布日期:2018-07-16 作者:张成刚 点击:

循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝流场优化研究

  来源:《电力科技与环保》  作者:叶兴联  2018/7/16 11:40:56    
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:近年来,京津冀、长三角和珠三角等重点区域雾霾问题严重,“50355”新标准被提上日程,各行业开始进行脱硝、除尘、脱硫提效改造。原先应用于高浓度NOx循环流化床锅炉上的低氮燃烧技术、SNCR及低氮燃烧+SNCR技术已经不能满足NOx排放值小于50mg/m3的要求,为了控制NOx的排放浓度,必须采用SNCR+SCR技术对NOx进行控制。与单一的SNCR和SCR脱硝相比,该技术具有脱硝效率高、催化剂用量小、SCR反应器体积小、系统阻力小、腐蚀性小、成本适度等优点,故在循环流化床锅炉得到了广泛的应用。流场分布是影响脱硝装置脱硝效率及氨逃逸率、催化剂使用寿命的关键因素之一,因此脱硝工程必须对流场进行优化设计。李竞岌等采用数值模拟方法对循环流化床锅炉的喷入点位置、数量及喷射参数进行了优化分析,得出还原剂喷入点布在旋风分离器进口段内侧、喷入点至少四个、增大雾化粒径、增大喷雾锥角有利于增强烟气和还原剂的混合效果。赵永泉等、王岳军等也对循环流化床锅炉的SNCR脱硝流场进行了数值模拟分析研究。目前,大部分研究都仅对单独的SNCR或SCR进行流场优化,关于SNCR+SCR联合脱硝的流场优化研究较少。本文拟采用CFD软件对某75t/h循环流化床锅炉的SNCR+SCR流场进行分析,为其现场设计提供参考依据。

1几何模型及数学模型

某75t/h燃煤型循环流化床锅炉100%BMCR工况下的烟气量为85000m3/h,按照1∶1的比例建立模型,主要包括燃烧床层部分、挂式过热器、2个旋风分离器、省煤器、导流板、整流格栅、催化剂层及SCR脱硝出口烟道下游的空预器部分,如图1所示。

为了简化计算,暂不考虑模型内粉尘颗粒的影响,先选用模型计算得出气相流场,后加入DPM模型及组分输运模型追踪氨水的蒸发过程以及与烟气的混合过程。另外,省煤器、空预器、催化剂层均设置为多孔介质,由于前二者内部涉及热交换,故设置有内热源。

2参数研究

2.1速度分布

优化前烟道中未设置导流板,仅催化剂层上游设置了整流格栅,优化方案在SCR装置进出口烟道弯头处设置了相应的导流板,并在整流格栅上游斜烟道上设置了阻流板,模拟结果如图2~图4所示。图2为旋风分离器入口速度分布俯视图,烟气近切线方向进入分离器,之后沿外侧螺旋向下运动,后经过分离器的中心内筒流出。

图3为优化前后整个系统的烟气流线图,可看出,由于SCR脱硝上游烟道布置了合理的导流装置,烟气可以更均匀的竖直向下通过催化剂区域。

图4显示了优化前后层催化剂上游的速度分布,优化前外侧速度过大,大速度达到12。24m/s,而低速区仅为0~1m/s,高烟速区容易导致催化剂磨损,低烟速区容易导致催化剂积灰,整个截面速度相对标准偏差为20。2%,速度分布均匀性差;优化后断面大速度降低为4。90m/s,速度分布均匀性得到显著改善,截面速度相对标准偏差为6。2%,远小于15%的脱硝设计标准,有利于减轻催化剂的磨损和积灰。

2.2浓度分布

还原剂喷射点通常布置在旋风分离器的进口水平烟道中,从上到下均匀布置,点数越多越有利于烟气与还原剂的混合,但也会加大工程的复杂程度,一般工程中推荐在单分离器上布设4~5个喷入点。假设喷枪设置在旋风分离器进口水平烟道的外侧,布置4个喷射点,喷射速度为40m/s,平均雾化粒径为90μm,喷雾锥角为60°,模拟结果如图5~图6所示。从图5中可看出,还原剂液滴在旋风分离器进口处全部蒸发,满足工艺设计要求,大蒸发时间为0.036s,平均蒸发时间为0.032s。

图6显示了分离器入口还原剂的浓度分布,由于喷枪设置在进口烟道外侧,还原剂紧贴分离器外壁流动,而分离器的作用是使烟气向外甩,故抑制了还原剂向中心的扩散,导致外侧浓度远高于其他区域。

模拟结果显示,优化前后层催化剂上游断面的氨浓度分布均匀性很好,为脱硝反应提供了很好的条件,该处的还原剂NH3来源于上游SNCR脱硝未参与反应的逃逸氨。

统计结果得出优化前后的相对标准偏差分别为0.8%、0.6%(远小于5%的脱硝设计标准),可见,优化前后催化剂层的浓度分布均匀性变化很小,可以忽略,故对该循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝装置中的SCR部分进行优化时,可以仅对速度场进行优化,而忽略对浓度场的优化。

2.3温度分布

对分离器内温度颁和层催化剂上游温度分布进行模拟,模拟所得温度分布结果显示,分离器内温度在892~998℃之间,正好处于SNCR反应的温度窗口内。SCR装置内层催化剂上游断面的温度分布范围为312~339℃,也处于SCR脱硝反应的温度窗口内。

2.4喷入点位置影响

为了研究分离器喷入点位置的影响,现将喷入点布置在分离器进口段内侧,模拟结果如图7所示。与图6相比,还原剂在分离器入口断面的扩散更明显,因为喷入点设在内侧,还原剂气化后,随着烟气向外甩,还原剂由分离器内侧迅速向外侧扩散,使还原剂在分离器中均匀分布。因此,喷入点设置在进口烟道内侧,更有利于加强还原剂与烟气的混合,提高SNCR脱硝效率。

2.5喷射速度的影响

喷入点选在内侧,喷雾锥角为60°、雾化粒径为90μm、喷射速度为40m/s、80m/s、120m/s工况下分离器入口断面的还原剂浓度分布模拟结果如图8所示。从图8可看出,随着喷射速度的增加,还原剂穿透距离加大,更容易扩散到烟气中,分离器入口截面的浓度分布变得更均匀,将有利于提高脱硝效率,因此,在保证其他条件一定的情况下,适当提高喷射速度有利于脱硝反应。

2.6雾化粒径的影响

计算了喷射速度为40m/s、喷射锥角为60°,雾化粒径为50μm、90μm、130μm的分离器入口断面浓度分布如图9所示,可见,随着雾化粒径的增加,还原剂的穿透距离增大,分离器入口断面的浓度分布更均匀。这是因为雾化粒径提高后,单个颗粒的体积增大,气化后产生的气团体积也增大,更容易扩散到烟气中,增强了还原剂与烟气的混合。因此,在其他条件一定的情况下,可以通过适当增大雾化粒径来提高SNCR脱硝效率。

2.7喷雾锥角的影响

图10给出了喷射速度为40m/s、雾化粒径为90μm条件下不同喷雾锥角对分离器入口还原剂浓度分布的影响。当喷雾锥角由30°增大到90°时,还原剂在分离器入口的浓度分布相差不大,这是因为随着喷雾锥角的增加,还原剂的初始扩散面积加大,但是穿透距离也会随之减小,且由于喷射方向与壁面垂直,增大锥角时靠近分离器入口断面内侧的浓度会随之增加,故总体均匀性会略微变差,所以,对该分离器而言,增大喷雾锥角并不能起到正面效果。

3结语

采用CFD软件对某75t/h燃煤型循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝流场进行了数值模拟,比较了SCR部分优化前后的速度分布、浓度分布,并重点研究了SNCR还原剂喷入点的位置、喷射速度、喷雾粒径、喷雾锥角对SNCR脱硝的影响。结果表明:

(1)在SCR脱硝装置烟道中设置合理的导流装置后,层催化剂入口断面的速度分布有了明显改善,有利于减轻催化剂的磨损和积灰,延长催化剂使用寿命。优化前后SCR部分氨浓度分布均匀性非常好,且相差不大,故进行SCR部分优化时可以仅考虑速度场,而忽略对浓度场的优化。另外,SNCR及SCR的烟气温度都处于各自的反应温度窗口内,有利于脱硝反应。

(2)还原剂喷入点设在进口烟道内侧(较外侧)时,还原剂更容易扩散到烟气中,更有利于加强还原剂与烟气的混合,提高SNCR脱硝效率。

(3)增大喷射速度和雾化粒径,均能增大还原剂的穿透距离,使得分离器入口的浓度分布更均匀,提高脱硝效率。

(4)增大喷雾锥角,分离器入口的浓度分布均匀性略微变差,故针对该装置,增大喷雾锥角对脱硝反应有负面影响。


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