不同脫硝噴槍在CFB鍋爐SNCR工程中的應用
根據十二五發展規劃要求加快循環流化床鍋爐氮氧化物控制與削減技術應用與推廣積極推進煙氣脫硝工程建設已迫在眉睫循環流化床鍋爐可選用SNCRSCRSNCR-SCR脫硝技術其中采用SNCR技術有其得天獨厚的優勢:循環流化床鍋爐NOx初始排放濃度較低;鍋爐工作溫度滿足SNCR的反應溫度窗口要求;并且旋風分離器中的煙氣流速高達15～25m/s可與噴入的氨進行較好的混合并具備較長的停留時間
以上優勢使得SNCR脫除氮氧化物的效率突破了傳統的認識即不再局限于50%以內的脫硝效率福斯特惠勒已對國內外20余臺循環流化床鍋爐進行了SNCR改造通過在分離器中噴入適量的氨可實現高達50%～70%的脫硝效率其中美國JEA電廠的2臺300MW機組SNCR脫硝改造NOx的排放值降至＜74mg/Nm3
SNCR脫硝技術是一種經濟有效的氮氧化物NOx控制技術但在實際應用中NOx的脫除效率遠低于理論上及實驗室可以達到的效率＞80%且存在未反應完全的NH3存在逃逸這主要由于SNCR反應過程中反應溫度反應時間氨氮比混合程度等因素影響SNCR脫硝效率
SNCR噴槍作為最主要的脫硝設備其性能直接影響脫硝效率:噴槍必須在合適的溫度下使還原劑溶液快速蒸發并使還原劑分布均勻滿足反應時間需求因此循環流化床鍋爐SNCR工程中對噴槍參數有嚴格的要求本研究通過理論數值模擬計算與實際工程實驗相結合的方式對不同霧化粒徑噴槍在CFB鍋爐中的使用性能展開研究
1實驗研究
以廣東某紙廠的CFB鍋爐為研究對象該鍋爐為濟南鍋爐集團有限公司生產的YG-75/3．82-MI型循環流化床鍋爐鍋爐額定蒸發量75t/h設計煙氣量105000Nm3/h分離器入口設計溫度800～900℃
1.1物理模型
本鍋爐燃燒系統由爐膛旋風分離器和返料器組成預熱后一次風由鍋爐底部的水冷布風板均勻進入爐膛燃煤和石灰石經爐前螺旋給煤機送入燃燒室二次風約占總空氣量的50%分3層21個噴口布置爐溫控制在800～900℃含灰煙氣分成2股進入分離器分離器頂部出口煙氣經過熱器進入尾部煙道基于鍋爐設計資料建立了工程鍋爐的物理模型具體的鍋爐結構見圖1
本次脫硝改造為技改工程現場條件對新增設備的限制較大根據鍋爐實際煙氣溫度分布情況結合工程實施經驗考慮在每個旋風分離器進口煙道布置3支噴槍單臺鍋爐共配置6支噴槍
1.2數學模型
根據鍋爐實際實時監控數據循環流化床鍋爐在不同負荷下對應的分離器內部溫度在834～967℃范圍內滿足SNCR的反應窗口要求因此本研究主要通過數值模擬分析分離器入口處的混合效果并以混合效果表征SNCR反應是否完全
研究中以非預混PDF模型進行煤粉模擬燃燒用以仿真鍋爐內部燃燒及溫度分布狀況;同時考慮到鍋爐內復雜的氣相流動以標準k-ε模型模擬湍流運動;針對于噴槍霧化及還原劑分布模擬選用離散相模型discretephasemodelDPM跟蹤計算還原劑霧化顆粒
1.2.1標準k-ε模型鍋爐內部湍流運動時均特性的連續方程動量方程能量方程組分方程可采用標準k-ε模型來描述它是應用最廣泛的兩方程渦粘性模式求解兩個湍流標量k和ε的輸運方程其中k方程表示湍動能輸運方程ε方程表示湍動能的耗散率
1.2.2DPM模型旋風分離器內的還原劑霧化顆粒采用Fluent自帶的DPM模型進行模擬它把霧滴顆粒群作為離散體系通過積分求解離散相顆粒的軌道結合煙氣加熱蒸發和擴散等效應討論不同還原劑霧化粒徑對還原劑穿透距離及覆蓋面積的影響實驗過程中霧化粒徑將參照噴槍測試數據進行給
1.3噴槍測試
選用兩種噴槍進行對比分析研究:噴槍A與噴槍B通過激光粒度分析儀WINNER318C對噴槍的霧化顆粒進行測試測試結果如表1所示
粒徑分析中常以離散度離散度=D90-D10/D50表征粒度的分布范圍噴槍A的離散度為0.99噴槍B的離散度為1.17離散度越小表示粒度分布范圍越窄粒徑分布更集中根據以上檢測分析噴槍A的粒徑較大且分布集中而噴槍B的霧化粒徑小而分散兩者的差距較大對比性較好
2數值模擬結果及分析
2.1粒徑對還原劑穿透性能的影響
圖3和圖4給出了在設計條件下不同噴槍出口還原劑霧化顆粒運動軌跡顏色代表停留時間反映還原劑在煙道內的蒸發軌跡
圖3中噴槍A還原劑霧化液滴停留時間為0.1s穿透距離達到0.8m此時還原劑貫穿煙道并在旋風分離器進口處全部蒸發
而圖4噴槍B因粒徑較小停留時間僅0.05s穿透距離縮短為0.43m液滴未進入旋風分離器就已完全蒸發由于蒸發時間過短還原劑的穿透能力將小于噴槍A
2.2還原劑粒徑對還原劑分布的影響
SNCR反應中當氨分布不均時會引起兩種不利的現象即濃度過高會導致氨逃逸濃度過低將引起煙氣SNCR的反應不完全因此氨分布均勻是氨利用效率及脫硝效率提高的保障為貼近SNCR的工程實際應用本研究以氨氮比NSR=1.5進行還原劑濃度分布模擬
圖5和圖6給出了進口煙道與分離器切入口交接處的氨氣覆蓋情況圖中以色彩表示濃度平均值的20%至平均值的180%范圍內即均值偏差范圍80%的覆蓋面積空白部分表示不在定義的偏離范圍內低于平均值的20%或高于平均值的180%的區域
圖5噴槍A高于20%平均濃度時的覆蓋面積為99.2%此時均值偏差80%范圍時的覆蓋面積為83.7%
圖6使用噴槍B時不在定義范圍內的空白面積增加高于20%平均濃度時的覆蓋面積為80.49%均值偏差80%范圍時的覆蓋面積僅為56.75%表明噴槍B粒徑較小液滴在噴槍出口處即迅速霧化形成氨氣造成還原劑的穿透能力不足在距離噴槍較近的區域內形成高氨濃度區而在對向的分離器煙道周邊的氨濃度偏低氨濃度的分布均勻性較差這印證2.1的結論
根據工程實驗統計數據表明氨的覆蓋面積越大脫硝效率越高;氨的濃度分布越均勻氨的利用率越高;分布區域減少將會影響氨的利用效率和氮氧化物的脫除效果
2.3鍋爐負荷對還原劑分布的影響
在100%鍋爐負荷時噴槍A還原劑霧化分布情況要明顯優于噴槍B;但隨著鍋爐負荷降低煙氣量減小將對還原劑混合產生一定的影響因此針對鍋爐70%負荷時的噴槍A使用狀況進行模擬計算結果如圖7所示
此時高于20%平均濃度時的覆蓋面積為99.7%均值偏差80%范圍時的覆蓋面積為89.7%并且還原劑的穿透距離未觸及鍋爐壁面不會對鍋爐的運行安全帶來影響雖然負荷下降時煙道內流速均有一定程度的下降但還原劑總體混合效果好于鍋爐100%負荷時的設計條件
3工程實驗
根據數值模擬的結果在廣東某紙廠的75t/hCFB鍋爐上進行了脫硝改造并使用了表1中2種噴槍進行了氨水法SNCR實驗對模擬中的不同霧化粒徑的脫硝性能進行了對比研究
3.1還原劑粒徑對脫硝效率的影響
在本次工程實驗中對此進行對比驗證圖8給出在NSR為1.5時2種噴槍在不同鍋爐負荷時對脫硝效率噴槍A以NSR=1.5進行氨水噴射脫硝效率先隨著鍋爐負荷的上升而增加當負荷達到75%時得到最大脫硝效率為72%;隨后鍋爐負荷增加脫硝效率呈現下降趨勢;而噴槍B在同樣條件下脫硝效率較噴槍A低約8%～10%且最高效率出現在鍋爐70%負荷附近
出現此情況的原因為:使用噴槍B時還原劑的霧化面積較小還原劑的混合效果較差導致脫硝效率低于噴槍A且噴槍B隨著負荷變大脫硝效率呈現較大幅度的下降;但是噴槍B霧化顆粒在低溫下易蒸發因此在負荷較低反應區間溫度較低時具有相對較高的效率
3.2氨氮比比較
氨氮比NSR對脫硝效率的影響至關重要是考慮脫硝工程經濟性的主要參數因此在本工程實驗對NSR進行了相關研究考慮到噴槍A與噴槍B的脫硝效率相差較大工程實驗階段僅選取了鍋爐常用的負荷段90%BMCR進行比較并將脫硝效率設定為兩種噴槍都能達到的60%經測試噴槍A的NSR為1.3而噴槍B的NSR為1.5;噴槍B的NSR較噴槍A高13%左右
分析其原因為粒徑過小時造成氨的覆蓋面積過小因此為實現相同的脫硝效率需增加還原劑耗量此驗證了2.2數值模擬分析結果的合理性
4結論
首先對兩種霧化粒徑的噴槍進行數值模擬研究以設定NH3濃度的覆蓋面積的大小表征循環流化床鍋爐的脫硝效率其后通過75t/hCFB鍋爐脫硝工程運行實驗對兩種噴槍進行性能對比通過分析總結得到以下結論:
1在CFB鍋爐SNCR中適當大顆粒的粒徑有利于還原劑在分離器內分布均勻并可獲得較好的脫硝效率;噴槍粒徑過細將造成氨水在分離器內部的較早蒸發從而無法實現還原劑在煙道內的良好分布影響脫硝效率以及氨氮比NSR
2通過工程實驗驗證比對NSR=1.5時選定的濃度偏差范圍內濃度均值偏差80%還原劑覆蓋面積大于80%時脫硝效率可達到65%以上
3同樣條件下霧化粒徑D50=102μm的噴槍比霧化粒徑D50=59μm的噴槍可提高脫硝效率8%～10%同時可降低氨氮比NSR13%
