SNCR脱硝技术在循环流化床中的应用_王岳军-全场

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。
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
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。
环境工程
60
2013 年 2 月第 31 卷第 1 期
THE APPLICATION OF SNCR DENOX TECHNOLOGY IN THE CFB BOILER
Wang Yuejun1 Liu Xueyan1 Li Shiyuan1 Yu Tingxing1 Mo Jiansong1 Zhong Xiaoyu2 （ 1． Zhejiang Tianlan Environmental Protection Technology Co． ，Ltd，Hangzhou 311202，China；
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
环境工程
62
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 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 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
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 1—6 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］。
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
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
2． Flowvision A / S Beijing Representative Office，Beijing 100102，China）
Abstract： The temperature and flow distribution in a 220 t / h CFB boiler was firstly simulated by CFD． Based on the CFD simulation，the performance 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． Keywords： SNCR； DeNOx； CFB Boiler； CFD
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。
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 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。
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 4 以不同颜色区别流速的炉内流动曲线
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
图 3 分离器中心不同截面的温度分布