陳志剛，黃巧賢，楊波，李茂東，黃國(guó)家，曹麗英

( 廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510100)

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城市垃圾焚燒爐SNCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化

陳志剛，黃巧賢，楊波，李茂東，黃國(guó)家，曹麗英

( 廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510100)

運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件FLUENT對(duì)城市生活垃圾焚燒爐在不同工況下進(jìn)行了選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝系統(tǒng)的數(shù)值模擬優(yōu)化研究。結(jié)果表明，下層SNCR噴嘴噴入的還原劑可與煙氣進(jìn)行充分的混合，脫硝效果更好；在還原劑總流量一定的情況下，增加下層SNCR噴嘴流量，有利于SNCR脫硝效率的提高，6∶3∶1的配比使得垃圾焚燒爐脫硝效率達(dá)到53.3%；與其他噴射速度相比，原始噴射速度(13.8 m/s)工況的混流效果較好，脫硝率達(dá)到51.7%。

垃圾焚燒爐；選擇性非催化還原；優(yōu)化

垃圾焚燒發(fā)電鍋爐屬于高耗能特種設(shè)備之一，它的質(zhì)量安全與節(jié)能減排關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全，對(duì)于促進(jìn)社會(huì)節(jié)約發(fā)展、安全發(fā)展和清潔發(fā)展具有重要意義。我國(guó)城市人均年產(chǎn)垃圾400～500 kg，城市生活垃圾儲(chǔ)存量已達(dá)60×108t，侵占土地面積5×108m2，有200多個(gè)城市已被垃圾包圍，并且以8%～12%的年增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。垃圾已成為社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝技術(shù)的原理是在一定溫度窗口內(nèi)將還原劑噴入爐膛，將煙氣中的氮氧化物還原成無(wú)害的氮?dú)夂退?，整個(gè)過(guò)程不需要催化劑。SNCR脫硝技術(shù)中，一般采用尿素或氨作為還原劑，由于不采用催化劑，反應(yīng)須有較高的反應(yīng)溫度，爐膛溫度一般為850～1 100 ℃[1-2]。工程實(shí)例中，SNCR的脫硝效率一般為30%～75%[3]，是在垃圾焚燒爐中應(yīng)用較多的一種脫硝工藝。SNCR技術(shù)因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)適用的優(yōu)點(diǎn)，已在燃煤電站鍋爐中得到了廣泛的應(yīng)用。但從應(yīng)用情況來(lái)看，仍然存在氨分布不均、水冷壁腐蝕等問(wèn)題[4-5]，為此也采取了相應(yīng)的措施。在垃圾焚燒爐SNCR技術(shù)的研究上，J.M?ller等[6]通過(guò)生命周期的方法評(píng)價(jià)了其應(yīng)用。梁增英[1, 7, 8]結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究了垃圾焚燒爐SNCR技術(shù)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。在脫硝還原劑的研究方面，已有關(guān)于燃煤電站[9]與工業(yè)鍋爐[10]的SNCR技術(shù)的研究，但是仍未有關(guān)于垃圾焚燒爐SNCR脫硝系統(tǒng)的分析與優(yōu)化研究。本文在焚燒爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(maximum continuous rating，MCR)工況下，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件分別對(duì)噴嘴位置、噴射速度以及分層噴射比例對(duì)SNCR的脫硝效果進(jìn)行模擬研究，通過(guò)對(duì)還原劑噴射的模擬，確定本模型的優(yōu)化噴氨參數(shù)以及噴氨位置，為實(shí)際焚燒爐SNCR脫硝裝置的優(yōu)化運(yùn)行設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性參考。

1 研究對(duì)象與方法

表2 模擬計(jì)算工況

工況序號(hào)噴嘴啟閉工況SNCR-1SNCR-2SNCR-3不同噴射速度工況噴射速度/(m·s-1)與原始工況的速度比值不同層噴射配比工況SNCR-1∶SNCR-2∶SNCR-30開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)13.811∶1∶11開(kāi)啟(27.6m/s)開(kāi)啟(27.6m/s)關(guān)閉27.621∶1∶02開(kāi)啟(41.4m/s)關(guān)閉關(guān)閉41.431∶0∶03開(kāi)啟(6.9m/s)開(kāi)啟(6.9m/s)開(kāi)啟(6.9m/s)6.90.51∶1∶14開(kāi)啟(10.35m/s)開(kāi)啟(10.35m/s)開(kāi)啟(10.35m/s)10.350.751∶1∶15開(kāi)啟(17.25m/s)開(kāi)啟(17.25m/s)開(kāi)啟(17.25m/s)17.251.251∶1∶16開(kāi)啟(20.7m/s)開(kāi)啟(20.7m/s)開(kāi)啟(20.7m/s)20.71.51∶1∶17開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)13.816∶3∶18開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)13.814∶2∶49開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)13.812∶6∶210開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)開(kāi)啟(13.8m/s)13.811∶3∶6

1.1 研究對(duì)象與網(wǎng)格劃分

圖1 垃圾焚燒爐的整體結(jié)構(gòu)

本文的研究對(duì)象是廣州市內(nèi)某一垃圾焚燒發(fā)電廠的750 t/d垃圾焚燒爐，采用四級(jí)逆推往復(fù)式爐排運(yùn)轉(zhuǎn)模式，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)焚燒爐，建立起“焚燒爐+三煙道”的總模型，如圖1所示。根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠實(shí)際運(yùn)行情況，在網(wǎng)格劃分時(shí)將焚燒爐劃分成10個(gè)區(qū)域，即燃燒室以及每個(gè)煙道劃分3個(gè)區(qū)。網(wǎng)格劃分時(shí)在床層、二次風(fēng)和燃盡風(fēng)風(fēng)口以及較小面積的區(qū)域進(jìn)行局部加密，總網(wǎng)格數(shù)約達(dá)145萬(wàn)。焚燒爐的燃料為廣州市生活垃圾，其工業(yè)分析、元素分析和低位熱值見(jiàn)表1。

表1 廣州市生活垃圾的燃料特性

分析類(lèi)別項(xiàng)目質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%元素分析C57.625H8.453O31.5N0.234S0.469工業(yè)分析收到基揮發(fā)分26.18收到基灰分18收到基固定碳5.82收到基水分50

注：元素分析均為干燥無(wú)灰基。

1.2 SNCR噴嘴布置

分別于鍋爐標(biāo)高9 m、14.5 m和17 m處布置3層SNCR噴嘴，從下至上一次命名為SNCR-1、SNCR-2、SNCR-3，每層布置噴嘴數(shù)為7只，呈一定角度布置。具體布置如圖2所示，噴嘴豎直方向均為45°布置，噴槍半徑為9 mm，長(zhǎng)度為300 mm，伸入鍋爐內(nèi)部分為150 mm。在氨水總流量(0.011 66 kg/s)一定的條件下，通過(guò)3層SNCR噴嘴的啟閉來(lái)模擬不同噴嘴位置噴射氨水的脫硝效果，具體工況見(jiàn)表2。

單位為mm。圖2 噴槍布置圖

1.3 研究方法

本文在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT的基礎(chǔ)上結(jié)合床層計(jì)算軟件FLIC模擬垃圾在爐排爐里的燃燒特性。床層上的垃圾焚燒采用FLIC軟件的運(yùn)動(dòng)模型，其結(jié)果作為速度入口邊界導(dǎo)入至FLUENT軟件的一次風(fēng)入口；焚燒爐內(nèi)的燃燒采用組分運(yùn)輸模型；爐內(nèi)燃燒過(guò)程的控制方程由Simple算法求解[11]；采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程湍流模型模擬爐內(nèi)湍流流場(chǎng)[12[13]；SNCR反應(yīng)中氨水的噴入采用離散項(xiàng)模型，其反應(yīng)過(guò)程應(yīng)用SNCR反應(yīng)，即NO+NH3+1/4 O2→N2+3/2 H2O；二次風(fēng)邊界采用速度入口，而煙道出口邊界采用壓力出口；爐膛與煙道的邊界條件按實(shí)際運(yùn)行的邊界進(jìn)行設(shè)定，有定溫、絕熱、定熱流邊界。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

以電廠實(shí)際運(yùn)行的MCR工況作為本研究模型的驗(yàn)證，文獻(xiàn)[14]已對(duì)電廠實(shí)際運(yùn)行測(cè)量的數(shù)值(多點(diǎn)溫度、O2和H2O濃度)與模擬得到的焚燒爐爐膛參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示以上的參數(shù)均遠(yuǎn)小于20%的工程誤差范圍，符合模擬的要求。此外，本文主要針對(duì)SNCR脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行研究，故需要分析NO的分布情況。電廠實(shí)際運(yùn)行時(shí)，SNCR脫硝前和脫硝后尾部煙道出口平均NO質(zhì)量濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，氧的體積分?jǐn)?shù)為11%，下同)分別為250 mg/m3和120.3 mg/m3，而模擬計(jì)算所得的SNCR脫硝前和脫硝后尾部煙道出口平均NO質(zhì)量濃度分別為273.1 mg/m3和131.9 mg/m3，誤差分別為-9.24%和-9.64%，兩者均遠(yuǎn)小于20%的工程誤差范圍，符合模擬要求。由此證明本研究的模型是準(zhǔn)確可信的。

2.2 溫度分布

從中剖面的溫度分布(如圖3所示)來(lái)看，各工況整體溫度相差不大，但是3層SNCR噴嘴全開(kāi)的工況0的第一煙道溫度分布較為均勻，僅開(kāi)啟SNCR-1的工況2在第一煙道進(jìn)口處溫度水平較其他工況要高一些，1、2工況在SNCR-3所在平面的平均溫度水平要低于開(kāi)啟了SNCR-3噴嘴的原始0工況，其高溫區(qū)域偏向后墻，也即遠(yuǎn)離前墻噴嘴的區(qū)域。這是因?yàn)闆](méi)有SNCR-3噴入氨水發(fā)生還原反應(yīng)放熱，所以溫度略微低于其他有SNCR還原反應(yīng)的區(qū)域。

溫度單位為K，從左至右為0、1、2工況。圖3 爐膛中剖面溫度分布云圖

2.3 NO分布

從左至右為0、1、2工況。圖4 第一煙道NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

原始工況0 SNCR脫硝后的第一煙道NO體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯分層，第一煙道由下至上NO體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，有著明顯的濃度梯度。圖4中可以看到依次關(guān)閉SNCR-3和SNCR-2兩層噴嘴后，也即將氨水集中在第一煙道中下部噴入，得到了很明顯的脫硝效果。從第一煙道的NO體積分?jǐn)?shù)分布來(lái)看，由于煙氣向上流動(dòng)的影響，1、2工況的第一煙道上部出現(xiàn)大范圍的NO體積分?jǐn)?shù)較低區(qū)域，主要原因是：SNCR-1噴射的氨水隨煙氣上升行程較長(zhǎng)，能與煙氣中的NO充分混合，因而SNCR-1層噴射的氨水還原反應(yīng)較為充分，脫硝效果較顯著；而SNCR-3噴出的氨水部分隨著煙氣進(jìn)入了第二煙道，而第二煙道的溫度并不適于氨水SNCR反應(yīng)的進(jìn)行，因而產(chǎn)生了漏氨現(xiàn)象，使得脫硝效果受到影響。

圖5中SNCR-1平面的NO分布由于受煙氣上升作用的影響，SNCR-1噴入的氨水被煙氣帶入上方空間，因而在這層平面的NO體積分?jǐn)?shù)水平仍然較高，沒(méi)有明顯下降，不過(guò)在噴嘴處還是可以觀察到一些NO體積分?jǐn)?shù)低的區(qū)域。

圖5 SNCR-1平面NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從圖6中SNCR-2層平面開(kāi)始，可以明顯觀察到將氨水集中于SNCR-1噴入的脫硝效果相較于原始工況得到顯著地提升，尤其位于中心位置的噴嘴處，隨射流噴射進(jìn)入的氨水與煙氣中的NO發(fā)生了充分的還原反應(yīng)，工況2的低NO區(qū)域最大，脫硝效果最為明顯。

圖6 SNCR-2平面NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

在圖7中的SNCR-3平面，2工況中的大部分噴入的氨水已經(jīng)完成了脫硝，與煙氣中的NO發(fā)生了還原反應(yīng)而消耗掉，進(jìn)入第二煙道的煙氣中的NO含量已經(jīng)較低，SNCR脫硝的目的基本達(dá)到。

圖7 SNCR-3平面NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

工況2的脫硝效率達(dá)到55.1%，高于其他兩個(gè)工況。結(jié)合以上對(duì)比分析說(shuō)明，2工況的脫硝效果最為理想，因此在設(shè)計(jì)SNCR噴嘴位置時(shí)，可以考慮在保證溫度窗口合適的情況下，盡量靠近第一煙道下部布置SNCR噴嘴，以此達(dá)到較優(yōu)的脫硝效果。

2.4 噴射速度的影響

仍然在氨水總流量(0.011 66 kg/s)一定的條件下，通過(guò)改變SNCR噴嘴速度模擬不同噴射速度條件下的SNCR脫硝效果，尋找最合適的SNCR噴嘴噴射速度，來(lái)達(dá)到較理想的脫硝效率，具體工況見(jiàn)表2中的0、3、4、5和6工況。

圖8為各工況第一煙道NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖。從NO的分布來(lái)看，SNCR噴嘴噴射速度的變化并未對(duì)第一煙道NO的體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生較明顯的影響，但在某些局部還是引起了一些細(xì)微的改變。工況6的噴射速度最大，意味著壓縮空氣的流量較大，因此射流強(qiáng)度較大，氨水液滴與煙氣的換熱更加迅速，因而蒸發(fā)速率較快。并且由于流速大，與煙氣混合效果更加明顯，所以其后墻有較大的低NO體積分?jǐn)?shù)區(qū)域。

從左至右依次為3、4、0、5、6工況。圖8 不同噴射速度下各工況第一煙道NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

在模擬的速度改變范圍內(nèi)的各工況，脫硝效率變化較小，原始噴射速度工況的脫硝效果為相對(duì)最佳，達(dá)到51.7%，此工況的噴射速度可以作為比較適合的SNCR設(shè)計(jì)參考，如圖9所示。

從左至右依次為3、4、0、5、6工況。圖9 脫硝效率隨噴嘴速度變化關(guān)系

2.5 分層噴射比例的影響

對(duì)3層SNCR噴嘴全開(kāi)啟的模型進(jìn)行不同分層噴射比例研究，力圖找到最合適的分層噴射比例，使得脫硝效率達(dá)到最佳。具體工況見(jiàn)表2中的0、7、8、9和10工況，噴射速度均為13.8 m/s，總流量保持不變?yōu)?.011 66 kg/s。

第一煙道下部布置的SNCR噴嘴噴射的氨水還原反應(yīng)效率較高，因而將按照上述5個(gè)SNCR配比工況來(lái)研究各種不同分層噴射配比下焚燒爐的脫硝效果如何。

各工況第一煙道的NO體積分?jǐn)?shù)分布如圖10所示。隨著SNCR-1噴嘴流量占比的增加第一煙道整體NO體積分?jǐn)?shù)水平大幅下降，7工況第一煙道上半部分出現(xiàn)大范圍的低NO體積分?jǐn)?shù)區(qū)域，脫硝效果十分顯著。

從左至右依次為7、8、0、9、10工況。圖10 不同分層噴射比例下各工況第一煙道NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從圖11—13可以看出，各層SNCR噴嘴所在平面的NO體積分?jǐn)?shù)分布也顯示了相同的趨勢(shì)，即隨著SNCR-1噴嘴流量占比的增加，NO的脫除效果越明顯。從圖11可以看出，脫硝效率隨著SNCR-1噴嘴流量占比的增加有著明顯的上升趨勢(shì)。7工況尾部煙道出口的NO質(zhì)量濃度值為127.6 mg/m3，脫硝效率達(dá)到了53.3%。脫硝效率隨SNCR-1占比的變化關(guān)系如圖14所示。

從左至右依次為7、8、0、9、10工況。圖11 SNCR-1平面NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從左至右依次為7、8、0、9、10工況。圖12 SNCR-2平面NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從左至右依次為7、8、0、9、10工況。圖13 SNCR-3平面NO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從左至右依次為10、9、0、8、7工況。圖14 脫硝效率隨SNCR-1占比的變化關(guān)系云圖

因而，在還原劑總流量一定的情況下，增加下層SNCR噴嘴流量，有利于SNCR脫硝效率的提高，6∶3∶1的配比可供SNCR的設(shè)計(jì)參考。

3 結(jié)束語(yǔ)

在焚燒爐MCR工況下，分別對(duì)噴嘴位置、噴射速度以及分層噴射比例對(duì)SNCR的脫硝效果影響進(jìn)行模擬研究，得出如下結(jié)論。

a) 從第一煙道下部SNCR噴嘴噴入的還原劑可以與煙氣進(jìn)行充分的混合，還原反應(yīng)較為充分，NO的脫除效果較好；而靠近第一煙道上部噴射的氨水會(huì)在煙氣流的帶動(dòng)下流入第二煙道，發(fā)生漏氨現(xiàn)象。

b) 在還原劑總流量一定的情況下，增加下層SNCR噴嘴流量，有利于SNCR脫硝效率的提高，6∶3∶1的配比使得垃圾焚燒爐脫硝效率達(dá)到53.3%，可供SNCR的設(shè)計(jì)參考。

c) 原始噴射速度(13.8 m/s)工況的混流效果較好，還原劑反應(yīng)較為充分，脫硝率達(dá)到51.7%，此工況的噴射速度可以作為比較適合的SNCR設(shè)計(jì)參考。

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(編輯 查黎)

Optimization on SNCR Denitration System in Municipal Waste Incinerators

CHEN Zhigang, HUANG Qiaoxian, YANG Bo, LI Maodong, HUANG Guojia, CAO Liying

(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 510100, China)

This paper uses computational fluid dynamics simulation software FLUENT to study numerical simulation and optimization on selective non-catalytic reduction (SNCR) system in municipal waste incinerators under different working conditions.Results indicate that reductant from the lower SNCR injection nozzle is fully mixed with flue gas which means better denitration effect, in the case of constant total flow of reductant, an increase of flow in the lower SNCR injection nozzle is useful to improve SNCR denitration efficiency and matching of 6:3:1 makes denitration efficiency of the waste incinerator reach 53.3%.In addition, compared to other ejection velocity, mixed flow effect of the original ejection velocity condition is better and denitration efficiency is 51.7%.

waste incinerator; selective non-catalytic reduction; optimization

2016-04-27

2016-07-21

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015 QK268)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201604020022)。

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.003

X701

A

1007-290X(2016)11-0012-06

陳志剛(1964)，男，廣東廣州人。高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)樘胤N承壓設(shè)備的安全節(jié)能。

黃巧賢(1967)，女，廣東佛山人。工程師，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)樘胤N承壓設(shè)備的安全節(jié)能。

楊波(1983)，男，湖南益陽(yáng)人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樘胤N承壓設(shè)備的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。