不同噴槍在CFB鍋爐SNCR工程中的應(yīng)用

1、2016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的應(yīng)用不同噴槍在C F B鍋爐S N C R工程中的應(yīng)用CWZ 2016-04-14張仲飛，陳李荔等循環(huán)流化床發(fā)電氮氧化合物(NOx)不僅會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生直接危害，而且還會(huì)與大氣中一些成分反應(yīng)形成酸 雨和光化學(xué)煙霧，促進(jìn)超細(xì)顆粒物的形成，是影響生態(tài)環(huán)境和全球變暖的主要因子。近年 來(lái)，我國(guó)氮氧化物排放量一直居于高位，2012年排放總量為2337.8萬(wàn)t ,其中包含工業(yè)循環(huán) 流化床鍋爐在內(nèi)的工業(yè)鍋爐排放氮氧化物271萬(wàn)t ,占當(dāng)年工業(yè)氮氧化物排放量的13.5%。根 據(jù)"十二五"發(fā)展規(guī)劃要求，加快循環(huán)流化床鍋爐氮氧化物

2、控制與削減技術(shù)應(yīng)用與推廣，積 極推進(jìn)煙氣脫硝工程建設(shè)已迫在眉睫。循環(huán)流化床鍋爐可選用SNCR、SCR、SNCRSC R脫硝技術(shù)，其中采用SNCR技術(shù)有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì):循環(huán)流化床鍋爐NOx初始排放濃度較 低;鍋爐工作溫度滿足SNC R的反應(yīng)溫度窗口要求并且旋風(fēng)分離器中的煙氣流速高達(dá)15 25m/s ,可與噴入的氮進(jìn)行較好的混合并具備較長(zhǎng)的停留時(shí)間。以上優(yōu)勢(shì)使得SNCR脫除氮氧化物的效率突破了傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí),即不再局限于50%以內(nèi)的脫硝效率。福斯特惠勒已對(duì)國(guó)內(nèi) 外20余臺(tái)循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行了SNCR改造，通過(guò)在分離器中噴入適量的氨，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 50% - 70%的脫硝效率，其中美國(guó)JEA電廠的2臺(tái)3

3、00MW機(jī)組SNC R脫召肖改造NOx的排放值降至 <74mg/Nm3。SNCR脫召肖技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的氮氧化物(NOx)控制技術(shù)，但在實(shí)際應(yīng)用中NOx的脫除效 率遠(yuǎn)低于理論上及實(shí)驗(yàn)室可以達(dá)到的效率(> 80%),且存在未反應(yīng)完全的NH3 ,存在逃逸。 這主要由于SNCR反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)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(shè)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(fā)，并使還原劑分布均勻、滿足反應(yīng)時(shí)間需求。因此，循環(huán)流 化床鍋爐SNC R工程中對(duì)噴槍參數(shù)有嚴(yán)格的要求。本硏究通過(guò)理論數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)際

4、工程實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)不同霧化粒徑噴槍在CFB鍋爐中的使用性能展開(kāi)硏究。1實(shí)驗(yàn)研究以廣東某紙廠的CFB鍋爐為硏究對(duì)象,該鍋爐為濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的YG-75/3 . 82-MI型循環(huán)流化床鍋爐，鍋爐額定蒸發(fā)量75t/h ,設(shè)計(jì)煙氣量105000Nm3/h ,分離器入口 設(shè)計(jì)溫度800900°C。1.1物理模型本鍋爐燃燒系統(tǒng)由爐膛、旋風(fēng)分離器和返料器組成。預(yù)熱后一次風(fēng)由鍋爐底部的水冷布 風(fēng)板均勻進(jìn)入爐膛，燃煤和七I灰佝經(jīng)爐前螺旋給煤機(jī)送入燃燒室。二次風(fēng)約占總空氣量 的50% ,分3層21個(gè)噴口布置,爐溫控制在800900°C。含灰煙氣分成2股進(jìn)入分離器, 分離器頂部出

5、口煙氣經(jīng)過(guò)熱器進(jìn)入尾部煙道。基于鍋爐設(shè)計(jì)資料，建立了工程鍋爐的物 理模型,具體的鍋爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。本次脫硝改造為技改工程，現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)新增設(shè)備的限制較大。根據(jù)鍋爐實(shí)際煙氣溫度分 布情況，結(jié)合工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，考慮在每個(gè)旋風(fēng)分離器進(jìn)口煙道布置3支噴槍，單臺(tái)鍋爐共 配置6支噴槍。1.2數(shù)學(xué)模型根據(jù)鍋爐實(shí)際實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，循環(huán)流化床鍋爐在不同負(fù)荷下，對(duì)應(yīng)的分離器內(nèi)部溫度在834967°C范圍內(nèi)，滿足SNCR的反應(yīng)窗口要求。因此，本研究主要通過(guò)數(shù)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(yīng)是否完全。研究中以非預(yù)混PDF模型逬行煤粉模擬燃燒，用以仿真鍋爐內(nèi)部燃燒及溫度分布狀況;同 時(shí)考

6、慮到鍋爐內(nèi)復(fù)雜的氣相流動(dòng)，以標(biāo)準(zhǔn)k-E模型模擬湍流運(yùn)動(dòng);針對(duì)于噴槍霧化及還原劑 分布模擬,選用離散相模型(discretephasemodel , DPM)跟蹤計(jì)算還原劑霧化顆粒。http7/rrp.wei)ariqq.axTVs?_biz=Mzl4NDAvzMy<Mg=d=266()628349&cbFl&sn=7827566289439d1dae52a44d620b44f0&scene=5rcid=()414AFFV. 2/92016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸秤中的冋用囹2晅槍布冒位韜潼醫(yī)骯 2 Kj<Hniw hw 1屮町1.2.1標(biāo)準(zhǔn)2

7、模型鍋爐內(nèi)部湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)均特性的連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、組分 萬(wàn)程可米用標(biāo)準(zhǔn)k-E模型來(lái)描述。它是應(yīng)用最廣泛的兩方程渦粘性模式，求解兩個(gè)湍流標(biāo) 量k和w的輸運(yùn)方程，其中k方程表示湍動(dòng)能輸運(yùn)方程，e方程表示湍動(dòng)能的耗散率。1.2.2DPM模型旋風(fēng)分離器內(nèi)的還原劑霧化顆粒采用Fluent自帶的DPM模型進(jìn)行模擬。 它把霧滴顆粒群作為離散體系,通過(guò)積分求解離散相顆粒的軌道，結(jié)合煙氣加熱、蒸發(fā) 和擴(kuò)散等效應(yīng),討論不同還原劑霧化粒徑對(duì)還原劑穿透距離及覆蓋面積的影響。實(shí)驗(yàn)過(guò) 程中霧化粒徑將參照噴槍測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行給1.3噴槍測(cè)試選用兩種噴槍進(jìn)行對(duì)比分析硏究:噴槍A與噴槍B。適過(guò)激光粒度分析儀WIN NE

8、R 318C對(duì) 噴槍的霧化顆粒進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表】妄乜秦參分薩l uhlr 1 E jrtiitm I：in< r jxmi meters若彩SB L盪愴A吊S5fll Px4341tun1(12.51>9. lbIH0|un53. -I I27. &|MK>|im15J.219b 7,IH3|ijii105 4661 40注：1匕上云荃遷奧掃工乍壬二u芒W長(zhǎng)上遷力（、Mlh貝億仝 氣ST： » MPa；丄野9殳吏=克士送芻方生黑站吩二口 和mrr 時(shí)的創(chuàng)試（B； I IM DIO IMI分三云亍江*百分£ 即紅子分丐 率）為5（Mb

9、 JO* SM6時(shí)所對(duì)區(qū)的報(bào)子?xùn)藦剑?I. IM1震亍H田年龍 f*;±嚴(yán)：表想匡討乞欣迫二顯二坦°粒徑分析中常以離散度（離散度二（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(jù)以丄檢測(cè)分析,噴槍A的粒徑較人口分布集中.而噴槍B的霧化粒徑小而分散。兩者 的差距較大,對(duì)比性較好。蘭數(shù)值模擬結(jié)果及分析»21粒徑對(duì)還原劑穿透性能的影響圖3和圖4給出了在設(shè)計(jì)條件下不同噴槍出口還原劑霧化顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，顏色代表停留時(shí) 間，反映還原劑在煙道內(nèi)的蒸發(fā)軌跡。雯3喙槍A還原

10、荊碧化豹粒軌1http:/mp.wei)anqq.conVs?_biz=Mzl4NDAvzMy<Mg=&mid=2650628349&jd)F<1&sn=782?566289439d1dae52a44d620b44f0&scene=5&srcid=0414AFFV. 4/92016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸秤中的冋用I川UMX! A '靜 |»rliclr tracks 比 *.#了訊 Jn/wlon 圧圖3中噴槍A還原劑霧化液滴停留時(shí)間為0. Is,穿透距離達(dá)到0. 8m ,此時(shí)還原劑貫 穿煙道，并在旋風(fēng)分離

11、器進(jìn)口處全部蒸發(fā)。而圖4噴槍B因粒徑較小，停留時(shí)間僅0. 05 s ,穿透距離縮短為http:/mp.wei)anqq.conVs?_biz=Mzl4NDAvzMy<Mg=&mid=2650628349&jd)F<1&sn=782?566289439d1dae52a44d620b44f0&scene=5&srcid=0414AFFV. 4/92016(4/14不同噴槍金CFB鍋爐SNCR匸杵'中的應(yīng)用4唳槍"還原別戛化磁軌跡圖. |n *11FFig, 4 Iarh<! Bfs partirk Irairli h“ n

12、rni injivtitm0.43m ,液滴未進(jìn)入旋風(fēng)分離器就已完全蒸發(fā)，由于蒸發(fā)時(shí)間過(guò)短，還原劑的穿透能力 將小于噴槍A。2.2還原劑粒徑對(duì)還原劑分布的影響SNCRS應(yīng)中，當(dāng)氨分布不均時(shí)，會(huì)弓I起兩種不利的現(xiàn)象，即濃度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氨逃逸，濃度過(guò)彳氏俗引起煙氣SNCR的反應(yīng)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(shí)際應(yīng)用，本研究以氨氮比NSR=1.5進(jìn)行還原劑濃度分布模擬。圖5和圖6給出了進(jìn)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(nèi)（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

13、內(nèi)（低于平均值的20%或高于平均值的180%）的區(qū)域。r囹、噴槍A焰道出口截面咱對(duì)濃度分相 悄差80%) 卜7升 5 lihcC A，* n-tqriiil c imcrritnition diMlrilMitionN the inh't of the cycloms ( 80% deviation Mil the I meda italw)圖5噴槍A高于20%平均濃度時(shí)的覆蓋面積為99.2%，此時(shí)均值偏差80%范圍時(shí)的覆蓋面 積為83.7%。圖6使用噴槍B時(shí)，不在定義范圍內(nèi)的空白面積增加，高于20%平均濃度時(shí) 的覆蓋面積為http7/mp.wei)arLqq.corTVs?_biz=

14、Mzl4NDAvzMy<Jg=&mid=2660628349&jd)G=1&sn=7827566289439d1dae52a4444f0&scene=5&srcid=0414AFFV.2016/4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的冋用區(qū)6更槍II畑逋出口曲面相對(duì)濃度分同 偏差80%)Up. 6 Infirm K' s rraRrnt mnrrntnifinn diMribution atinlet of cyclcmrs ( 80% clrviatic -http:/rTvg)anqq.conVs?_biz 二 Mz!4N

15、DAwNzM 夬 g=&mid=2650628349&jdxM&sn=782?566289439d1dae52a44d620b44fO&scene=：5&srcid=0414AFFV. 7/92016/4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的冋用http:/rTvg)anqq.conVs?_biz 二 Mz!4NDAwNzM 夬 g=&mid=2650628349&jdxM&sn=782?566289439d1dae52a44d620b44fO&scene=：5&srcid=0414AFFV. 7/9

16、2016/4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的冋用80.49% ,均值偏差80%范圍時(shí)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氮?dú)?，造成還原劑的穿透能力不足，在距離噴槍較近的區(qū)1 或內(nèi)形成高氨濃度區(qū)，而在對(duì)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EIJ證2.1的結(jié)論。根據(jù)工程實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(qū)域減少將會(huì)影響氨的利用效率和氮氧化物的脫除效果。»23鍋爐負(fù)荷對(duì)還原劑分布的影響在100%鍋爐負(fù)荷時(shí)噴槍A還原劑霧化分布情況要明顯優(yōu)于噴槍B;但隨

17、著鍋爐負(fù)荷降低,煙氣量減小，將對(duì)還原劑混合產(chǎn)生一定的影響。因此針對(duì)鍋爐70%負(fù)荷時(shí)的噴槍A使用狀況進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。此時(shí)高于20%平均濃度時(shí)的覆蓋面積為99.7% ,均值偏差80%范圍時(shí)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(huì)對(duì)鍋 爐的運(yùn)行安全帶來(lái)影響。雖然負(fù)荷下降時(shí)煙道內(nèi)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(fù)荷時(shí)的設(shè)計(jì)條件。imiuoo I門WoI WWIC II 40(1001 vnnn I ? lflOG I lfiWK« I :wiaio I (KldOO剛OMWmM 0 Ohio Q 440110 0 U(WKl

18、 0 JBIWO 0 2®WQ匡7 7E負(fù)荷時(shí) 陽(yáng)道岀口藍(lán)面相對(duì)農(nóng)鷹分布(信差所爵 7 Ketwcm ooncenlnukwi(1 詢cu infei of( 70% BM(-R X0% deviali .; fn r' :wi3工程實(shí)驗(yàn)根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，在廣東某紙廠的75t/hCFB鍋爐上進(jìn)行了脫硝改造，并使用了表1 中2種噴槍進(jìn)行了氨水法SNCR實(shí)驗(yàn)，對(duì)模擬中的不同霧化粒徑的脫硝性能進(jìn)行了對(duì)比研 究。»3. 1還原劑粒徑對(duì)脫硝效率的影響在本次工程實(shí)驗(yàn)中對(duì)此進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，圖8給出在NSR為L(zhǎng)5時(shí)2種噴槍在不同鍋爐負(fù)荷 時(shí)對(duì)脫硝效率。噴槍A以NS R =1.5進(jìn)行

19、氨水噴射，脫硝效率先隨看鍋爐負(fù)荷的上升而增 加，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到75%時(shí)，得到最大脫硝效率為72%;隨后鍋爐負(fù)荷增加，脫硝效率呈現(xiàn)下 降趨勢(shì);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(xiàn)在鍋 爐70%負(fù)荷附近。出現(xiàn)此情況的原因?yàn)?使用噴槍B時(shí)，還原劑的霧化面積較小,還原劑 的混合效果較差，導(dǎo)致脫硝效率低于噴槍A ,且噴槍B隨著負(fù)荷變大，脫硝效率呈現(xiàn)較大 幅度的下降;但是噴槍B霧化顆粒在低溫下易蒸發(fā)，因此在負(fù)荷較低(反應(yīng)區(qū)問(wèn)溫度較低) 時(shí)，具有相對(duì)較高的效率。圖乂 N汕二L5時(shí)嚇鑰徑對(duì)脫暢率葩彩鴨R Relationship Ztwgn pnrtirh andhttp:/rT

20、vg)anqq.conVs?_biz 二 Mz!4NDAwNzM 夬 g=&mid=2650628349&jdxM&sn=782?566289439d1dae52a44d620b44fO&scene=：5&srcid=0414AFFV. 7/92016/4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的冋用dcN()t <Hirirncy( NF* : I. 5； '»3. 2氨氮比比較氨氮比(NS R)對(duì)脫硝效率的影響至關(guān)重要，是考慮脫硝工程經(jīng)濟(jì)性的主要參數(shù)，因此， 在本工程實(shí)驗(yàn)對(duì)NSR進(jìn)行了相關(guān)研究?？紤]到噴槍A與噴槍B的

21、脫硝效率相差較大，工程 實(shí)驗(yàn)階段僅選取了鍋爐常用的負(fù)荷段(90%BMCR)進(jìn)行比較，并將脫硝效率設(shè)定為兩種 噴槍都能達(dá)到的60%o經(jīng)測(cè)試,噴槍A的NSR為1.3 ,而噴槍B的NSR為L(zhǎng)5;噴槍B的NSR較噴槍A高3%左右。分析其原因?yàn)榱竭^(guò)小時(shí)造成氨的覆蓋面積過(guò)小，因此為實(shí)現(xiàn)相同的脫硝效率，需增加還原劑耗量。此驗(yàn)證了2.2數(shù)值模擬分析結(jié)果的合理性。4結(jié)論 http:/rTvg)anqq.conVs?_biz 二 Mz!4NDAwNzM 夬 g=&mid=2650628349&jdxM&sn=782?566289439d1dae52a44d620b44fO&sce

22、ne=：5&srcid=0414AFFV. 7/92016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的尺用首先對(duì)兩種霧化粒徑的噴槍進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以沒(méi)定NH3濃度的覆蓋面積的大小表征 循壞流化床鍋爐的脫硝效率，其后通過(guò)75t/hCFB鍋爐脫硝丄程運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種噴槍進(jìn) 行性能對(duì)比,通過(guò)分析總結(jié)得到以下結(jié)論：(1)在CFB鍋爐SNCR中，適當(dāng)大顆粒的粒徑有利于還原劑在分離器內(nèi)分布均勻，并可獲得較好的脫硝效率;噴槍粒徑過(guò)細(xì)，將造成氨水在分離器內(nèi)部的較早蒸發(fā)，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)還原劑在煙道內(nèi)的良好分布，影響脫硝效率以及氨氮比(NSR)。(2)通過(guò)工程實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比對(duì)，NSR=L5時(shí)選定的

23、濃度偏差范圍內(nèi)(濃度均值偏差80%),還 原劑覆蓋面積大于80%時(shí)，脫硝效率可達(dá)到65%以上。同樣條件下，霧化粒徑D50= 102pm的噴槍比霧化粒徑D50=59pm的噴槍可提高脫硝 效率8%10% ,冋時(shí)可降低氮氮比NSR13%。延伸閱讀歡迎點(diǎn)擊http7/np.wei)anqq.corTVs?_biz=Mzl4NDAwNzMyNg=&md=2650628349&jdx=1&sn=7827566289439d1dae52a44d620b44f0&scene=5&srcid=0414AFFV.2016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中

24、的尺用http7/np.wei)anqq.corTVs?_biz=Mzl4NDAwNzMyNg=&md=2650628349&jdx=1&sn=7827566289439d1dae52a44d620b44f0&scene=5&srcid=0414AFFV.2016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐SNCR匸杵'中的尺用重要通知|大型循環(huán)流化床機(jī)組運(yùn)行管理及超臨界技術(shù)硏討會(huì)300M W循環(huán)流化床鍋爐爆管事故分析硏究必讀|十招教你做個(gè)輕松的鍋爐專工"中國(guó)循環(huán)流化床發(fā)電"2016年3月推送消息回顧http7/np.wei)anqq.corTVs?_biz=Mzl4NDAwNzMyNg=&md=2650628349&jdx=1&sn=7827566289439d1dae52a44d620b44f0&scene=5&srcid=0414AFFV.2016(4/14不同噴槍在CFB鍋爐