張樂宇，張忠孝，陳立新，付艷輝

（1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.北京漢能清源科技有限公司，北京 100071）

我國(guó)水泥年產(chǎn)量已達(dá)24億t，占世界水泥產(chǎn)量的55%，其生產(chǎn)過程需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤2.6億t和電2 000億kW·h。水泥生產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致大氣污染物的大量排放，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，其中氮氧化物（NOx）的排放占全國(guó)排放量的8%～10%，僅次于火力發(fā)電和汽車尾氣。NOx是形成酸雨、光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)之一，也是形成灰霾的主要前體物和重要的大氣污染物。我國(guó)《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》中指出，水泥等重污染行業(yè)應(yīng)大力推進(jìn)清潔能源的使用，大幅削減NOx等大氣污染物的排放[1]。

對(duì)于水泥生產(chǎn)線而言，脫硝較常采用選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）和選擇性非催化還原（selective non-catalytic reduction，SNCR）[2]。由于SCR所使用的催化劑較易中毒，生產(chǎn)成本高[3]，因此大部分水泥生產(chǎn)線采用SNCR脫硝技術(shù)。本文采用數(shù)值模擬方法，分析影響SNCR脫硝效率的因素，并與生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行的脫硝效率進(jìn)行對(duì)比，在得到各因素對(duì)脫硝效率影響的基礎(chǔ)上，選取各因素最佳運(yùn)行條件，得到優(yōu)化后的運(yùn)行工況，較為顯著地提高了SNCR運(yùn)行效率，為水泥生產(chǎn)線SNCR脫硝工藝的運(yùn)行優(yōu)化提供了參考。

1 分解爐概述和數(shù)值模擬方法

1.1 分解爐結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

分解爐爐型為第三代TTF型，具有兩縮口、三噴騰特性，其立式剖面圖如圖1（a）所示。

依據(jù)分解爐實(shí)際尺寸，利用Gambit軟件建立三維模型，如圖1（b）所示。煤粉燃燒器分兩層布置，每層對(duì)稱布置2個(gè)，共布置4個(gè)；三次風(fēng)管位于爐體第一段主體起始位置處，呈對(duì)沖分布；水泥生料下料口位于爐體第二段主體靠近縮口處，水泥生料撒料箱位于爐體第一段主體與主燃區(qū)煤粉燃燒器所在高度持平。最下方為煙氣進(jìn)口，最上方為總出口，分解爐總體布局為九進(jìn)口一出口。

根據(jù)爐型特征，將模型主體按照兩縮口、三噴騰的設(shè)計(jì)劃分為6個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域均以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為主、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為輔的原則劃分網(wǎng)格，在煤粉燃燒器噴口、煙氣進(jìn)口及三次風(fēng)管進(jìn)口附近采用局部網(wǎng)格加密處理。經(jīng)Fluent軟件檢測(cè)，網(wǎng)格總數(shù)約為106萬，數(shù)量適中，滿足計(jì)算要求。網(wǎng)格劃分如圖1（c）所示。

1.2 分解爐設(shè)計(jì)參數(shù)及邊界條件

表1 分解爐設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of precalciner

表2 實(shí)驗(yàn)工況Tab.2 Experimental conditions

1.3 數(shù)值模擬方法

a.氣相湍流流動(dòng)模型選擇可實(shí)現(xiàn)k-ε模型。

b.組分輸運(yùn)模型中煤粉與CaCO3均采用有限速率/渦耗散模型。煤粉燃燒分為兩步反應(yīng)，先生成 CO，再生成 CO2，反應(yīng)式為2C+O2=2CO，2CO+O2=2CO2。CaCO3分解為一步反應(yīng)，反應(yīng)式為 CaCO3=CaO+CO2。

c.氣固兩相流選擇隨機(jī)顆粒軌道模型（DPM），跟蹤11 200個(gè)煤粉顆粒軌跡。

d.輻射傳熱模型選用離散坐標(biāo)（DO）模型，使用加權(quán)總和灰色氣體模型（WSGGM）來計(jì)算氣相的吸收系數(shù)。

e.在煤粉燃燒中，NOx根據(jù)形成原理不同可分為：熱力型NOx、燃料型NOx、快速型NOx[4]。熱力型NOx是由氮?dú)庠诜纸鉅t內(nèi)的高溫下被氧化形成，同時(shí)包含回轉(zhuǎn)窯輸入分解爐的底部進(jìn)口煙氣中的熱力型NOx含量；燃料型NOx是由燃料氮氧化形成；快速型NOx是在火焰前鋒面的快速反應(yīng)中形成。一般煤粉燃燒過程中快速型NOx占NOx總量的比例很小，可以忽略不計(jì)，因此只考慮熱力型及燃料型

采用NH3作為還原劑時(shí)，在溫度窗口900～1 100℃內(nèi)，NH3還原NOx的反應(yīng)機(jī)理為

當(dāng)反應(yīng)溫度超過溫度窗口時(shí)，副反應(yīng)開始占據(jù)主導(dǎo)地位：4NH3+5O2→4NO+6H2O，因此選取合適的位置使其溫度在反應(yīng)溫度窗口內(nèi)至關(guān)重要。

SNCR脫硝模型中氨水入射選用Droplet模型，入射溶液氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，噴射量為0.45 t/h，同時(shí)追蹤 1 600 個(gè)粒子軌跡[6]。對(duì)計(jì)算過程采用壓力與速度耦合的Simple算法及較低的松弛因子，采用二階迎風(fēng)離散格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)取連續(xù)性及能量方程的余項(xiàng)小于10–6，其余各項(xiàng)余項(xiàng)小于 10–3[7]。

2 數(shù)值模擬方案設(shè)定

數(shù)值模擬過程采用控制變量法，針對(duì)影響SNCR脫硝效率的因素依次進(jìn)行模擬分析，探究不同因素對(duì)脫硝效率的影響。工況設(shè)定時(shí)每次僅改變初始工況中的1個(gè)實(shí)驗(yàn)變量，保持其他參數(shù)不變。初始工況條件設(shè)定如表3所示。該工況條件下，數(shù)值模擬的脫硝效率為55.62%，與生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行的脫硝效率58.70%相比，誤差為5.28%，說明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，數(shù)值模擬方法可行。

表3 初始工況條件設(shè)定Tab.3 Initial working conditions setting

2.1 噴氨高度對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨高度，探究噴氨高度對(duì)NOx脫除效率的影響。噴氨高度分別設(shè)定為48，46，44，42 m，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同噴氨高度下斷面NO濃度分布Fig.2 Distribution of NO concentration at different ammonia injection heights

2.2 噴氨速度對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨速度，探究噴氨速度對(duì)NOx脫除效率的影響。噴氨速度分別設(shè)定為20，40，60，80 m/s，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同噴氨速度下斷面NO濃度分布Fig.3 Distribution of NO concentration at different ammonia injection rates

2.3 噴氨角度對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨角度，探究噴氨角度對(duì)NOx脫除效率的影響。噴氨角度分別設(shè)定為0，20，40，60°，數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同噴氨角度下斷面NO濃度分布Fig.4 Distribution of NO concentration at different ammonia injection angles

2.4 氨氮比對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變氨氮比，探究氨氮比對(duì)NOx脫除效率的影響。氨氮比分別設(shè)定為1.4，1.6，1.8，2.0，數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同氨氮比條件下斷面NO濃度分布Fig.5 Distribution of NO concentration at different ammonia nitrogen ratios

2.5 霧化粒徑對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨霧化粒徑，探究噴氨霧化粒徑對(duì)NOx脫除效率的影響。噴氨霧化粒徑分別設(shè)定為40，60，80，100 μm，數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同霧化粒徑下斷面NO濃度分布Fig.6 Distribution of NO concentration at different atomizing particle sizes

2.6 噴氨深度對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴氨深度，探究噴氨深度對(duì)NOx脫除效率的影響。噴氨深度分別設(shè)定為0，250，500，750 mm，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同噴氨深度下斷面NO濃度分布Fig.7 Distribution of NO concentration at different ammonia injection depths

2.7 噴口數(shù)量對(duì)脫硝效果的影響

保持其他參數(shù)不變，僅改變噴口數(shù)量，探究噴口數(shù)量對(duì)NOx脫除效率的影響。噴口數(shù)量分別設(shè)定為1，2，4，6個(gè)，均在爐體圓周同一高度上均勻分布，數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同噴口數(shù)量下斷面NO濃度分布Fig.8 Distribution of NO concentration at different nozzle numbers

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 噴氨高度對(duì)脫硝效果的影響

當(dāng)噴氨高度為48 m時(shí)，還原劑停留時(shí)間僅為0.25 s，還原劑與污染物未充分反應(yīng)，脫硝效率僅為12.90%；當(dāng)噴氨高度為46 m時(shí)，還原劑停留時(shí)間為0.50 s，還原劑與污染物接觸較為充分，脫硝效率可達(dá)33.69%；當(dāng)噴氨高度為44 m時(shí)，還原劑停留時(shí)間為0.75 s，還原劑與污染物可充分反應(yīng)，脫硝效率可達(dá)40.50%；當(dāng)噴氨高度為42 m時(shí)，還原劑停留時(shí)間為1.00 s，還原劑與污染物可充分反應(yīng)，脫硝效率達(dá)43.37%。因此，噴氨高度越低即還原劑停留時(shí)間越長(zhǎng)，脫硝效率越高，如圖9所示。

圖9 不同噴氨高度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.9 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection heights

3.2 噴氨速度對(duì)脫硝效果的影響

噴氨速度對(duì)脫硝效果的影響如圖10所示。

圖10 不同噴氨速度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.10 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection rates

當(dāng)噴氨速度為20 m/s時(shí)，噴槍入射的霧化液滴能量不足以穿透流場(chǎng)的剛性體，還原劑與污染物的接觸率較低，故脫硝反應(yīng)進(jìn)行得不充分，脫硝效率僅為27.24%；當(dāng)噴氨速度為40 m/s時(shí)，噴槍入射的霧化液滴能量較為充足，還原劑與污染物的接觸率大大提高，從而使得脫硝反應(yīng)進(jìn)行得較為充分，脫硝效率可達(dá)38.35%；當(dāng)噴氨速度提高到60 m/s時(shí)，噴槍入射的霧化液滴能量更為充足，還原劑與污染物的接觸得更好，使脫硝反應(yīng)進(jìn)行得更為充分，脫硝效率可達(dá)43.01%；當(dāng)噴氨速度為80 m/s時(shí)，噴槍入射的霧化液滴能量更為充足，使還原劑與污染物的接觸更為充分，從而使脫硝反應(yīng)進(jìn)行得更為完全，脫硝效率可達(dá)46.95%。因此，噴氨速度越大，脫硝效率越好。

3.3 噴氨角度對(duì)脫硝效果的影響

當(dāng)噴氨角度在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，脫硝效率趨于穩(wěn)定，這是因?yàn)閲姲苯嵌容^小時(shí)還原劑能量集中，可以較好地覆蓋整個(gè)流場(chǎng)橫截面，使得脫硝效率較高；而噴氨角度較大時(shí)，還原劑能量較為分散，但可以增加還原劑覆蓋面積，同樣可以達(dá)到較好的脫硝效率。因此，脫硝效率較為穩(wěn)定，但在一定范圍內(nèi)，噴氨角度越小，脫硝效率越高，如圖11所示。

圖11 不同噴氨角度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.11 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection angles

3.4 氨氮比對(duì)脫硝效果的影響

隨著氨氮比的增大，還原劑用量更為充足，使得脫硝效率隨之增加；但氨氮比的增大會(huì)帶來生產(chǎn)成本的大幅增加、氨逃逸率升高甚至超標(biāo)的問題，如表4所示。因此在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，既要考慮脫硝效率，又要關(guān)注生產(chǎn)成本以及氨逃逸率的問題[8]。氨氮比對(duì)出口NO濃度和脫硝效率的影響如圖12所示。

表4 不同氨氮比條件下出口氨逃逸率Tab.4 Outlet ammonia slip rate at different ammonia nitrogen ratios

3.5 霧化粒徑對(duì)脫硝效果的影響

霧化粒徑從 40 μm 增加到 100 μm過程中，脫硝效率先保持不變，然后逐漸提升，如圖13所示。當(dāng)還原劑粒徑低于100 μm時(shí)，脫硝效率會(huì)降低，這是因?yàn)檫€原劑霧化粒徑過小，會(huì)導(dǎo)致液滴剛性較差，穿透力不足，使得還原劑與污染物接觸不充分，從而使得脫硝效率較低。同時(shí)，霧化粒徑過小，對(duì)霧化設(shè)備的要求更高，明顯增加設(shè)備采購(gòu)成本及運(yùn)行使用成本[9]。

圖13 不同霧化粒徑下出口NO濃度及脫硝效率Fig.13 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different atomizing particle sizes

3.6 噴氨深度對(duì)脫硝效果的影響

噴槍深入爐內(nèi)的距離越大，越有利于脫硝效率的提高，如圖14所示。這是因?yàn)閲姌屔钊霠t內(nèi)距離越大，越有利于還原劑克服自身剛性的不足，提升液滴穿透力，使其能更好地與污染物接觸，同時(shí)提高還原劑在橫截面上的覆蓋率，從而提升脫硝效率。但噴槍深度過大，會(huì)導(dǎo)致噴槍受爐內(nèi)高溫高速流體的沖刷而腐蝕加劇，設(shè)備使用壽命降低，損耗率增大，運(yùn)營(yíng)成本增加[10]。

圖14 不同噴氨深度下出口NO濃度及脫硝效率Fig.14 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different ammonia injection depths

3.7 噴口數(shù)量對(duì)脫硝效果的影響

噴口數(shù)量對(duì)脫硝效果的影響如圖15所示。當(dāng)噴口數(shù)量為1時(shí)，還原劑不足以有效覆蓋整個(gè)爐體橫截面，從而使脫硝效率較低，僅為3.58%；當(dāng)噴口數(shù)量為2時(shí)，即沿圓周呈180°對(duì)稱分布，脫硝效率增加至18.64%；當(dāng)噴口數(shù)量為4時(shí)，即沿圓周呈90°均勻分布，還原劑可有效覆蓋整個(gè)爐體橫截面，使脫硝效率大大提高，達(dá)到38.35%；當(dāng)噴口數(shù)量為6時(shí)，即沿圓周呈60°均勻分布，過于密集的噴口分布反而會(huì)制約脫硝效率的提升[11]，脫硝效率相比4個(gè)噴口時(shí)反而下降至32.97%。這說明噴口數(shù)量過多時(shí)，還原劑入射的能量過于分散，使得還原劑穿透力不足，與污染物接觸不夠充分，從而使脫硝效率降低。因此，合理選取噴口數(shù)量極為重要。

圖15 不同噴口數(shù)量下出口NO濃度及脫硝效率Fig.15 Outlet NO concentration and denitrification efficiency at different nozzle numbers

3.8 優(yōu)化工況

根據(jù)以上工況的分析結(jié)果，設(shè)定各影響因素中對(duì)脫硝最有利條件，可得到優(yōu)化后的分解爐SNCR脫硝的效率。

表5 優(yōu)化工況條件設(shè)定Tab.5 Optimal working conditions setting

模擬結(jié)果表明，脫硝后出口NO濃度值降低至 71 mg/m3，與初始條件下 NO濃度值 309 mg/m3相比，NO脫除效率達(dá)76.89%。與初始SNCR工況下55.62%的脫硝效率相比，優(yōu)化工況的脫硝效率有了較為明顯的提高，如圖16所示。

圖16 初始和最佳工況條件下NO濃度分布Fig.16 NO concentration distribution at initial and optimal working conditions

4 結(jié) 論

針對(duì)影響水泥分解爐SNCR脫硝效率的因素進(jìn)行了對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

a.噴氨高度在溫度場(chǎng)變化較小時(shí)對(duì)脫硝效率的影響，實(shí)質(zhì)上等效為還原劑停留時(shí)間對(duì)脫硝效率的影響，且停留時(shí)間越長(zhǎng)，脫硝效率越高，停留時(shí)間為1.00 s時(shí)，脫硝效率最高為43.37%。噴氨速度越大，脫硝效率越高，噴氨速度為80 m/s時(shí)，脫硝效率最大為46.95%。氨氮比越大，脫硝效率越高，在氨逃逸率不超標(biāo)的前提下，當(dāng)氨氮比為1.8時(shí)，脫硝效率最大為41.94%，在實(shí)際生產(chǎn)中尤其要注意過大的氨氮比會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率超標(biāo)的問題。霧化粒徑越大，脫硝效率越高，當(dāng)霧化粒徑為100 μm時(shí)，脫硝效率最大為37.28%。噴氨深度越大，脫硝效率越高，當(dāng)噴氨深度為750 mm時(shí)，脫硝效率最大為71.33%，噴氨深度是上述對(duì)比工況中對(duì)脫硝效率影響最大的因素，也是提高脫硝效果最明顯的因素。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，可適當(dāng)增加噴槍插入爐體的深度，但要注意噴槍深度過大會(huì)使得高溫高速流體對(duì)噴槍的腐蝕和沖刷加劇，從而導(dǎo)致設(shè)備使用壽命降低等問題。

b.噴氨角度對(duì)脫硝效率的影響較小，當(dāng)選取噴氨角度為0°時(shí)，脫硝效率最大為39.43%。

c.噴口數(shù)量從1增加至4時(shí)，脫硝效率逐漸提高，當(dāng)噴口數(shù)量從4增加到6時(shí)，脫硝效率反而降低，這表明過于稀疏或過于密集的噴口布置方式對(duì)脫硝效率均有不利影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)中建議使用4噴口布置方式，脫硝效率最大為38.35%。

d.根據(jù)以上各因素分析結(jié)果，得到優(yōu)化工況，最大脫硝效率為76.89%。實(shí)際生產(chǎn)中可參考最佳工況設(shè)定對(duì)SNCR脫硝部分進(jìn)行改進(jìn)和提高，這對(duì)于提升還原劑使用效率、降低還原劑單位使用量、降低氨逃逸率、降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)環(huán)保性等方面，均有積極作用。