流化床流动和燃烧特性对SNCR脱硝的影响研究.docx

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1、流化床流动和燃烧特性对SNCR脱硝的影响研究SNCR （选择性非催化还原）脱硝作为循环流化床锅炉控制氮氧化物的主要方式，目前在大量循环流化床锅炉中应用。随着国家对氮氧化物排放标准的日趋严格，现有很多循环流化床锅炉已不能满足排放要求。为了进一步挖掘SNCR系统的脱硝潜力，需要对其进行优化,而数值模拟方法对燃煤锅炉SNCR脱硝系统的优化具有重要作用。目前已有一些研究者采用数值模拟方法对CFB锅炉SNCR脱硝系统进行了优化。李穹等对国内某100t/h的循环流化床锅炉的旋风分离器部分进行了 SNCR脱硝数值模拟,研究均匀烟气速度入口条件下温度、氨氮摩尔比等对SNCR脱硝效率和氨逃逸率的影响,结果发现脱

2、硝效率和氨逃逸率随氨氮摩尔比增加而增加;莫桂源对国内某75t/h循环流化床进行SNCR脱硝数值模拟，文中单独对旋风分离器进行了模拟,并且给定旋风进口烟气温度、组分浓度和速度的值,重点研究了喷枪安装位置对脱硝效率和氨逃逸率的影响，结果发现喷枪安装在旋风入口水平烟道下侧时，脱硝效率最高达到57. 6取但氨逃逸率也较高。从以上分析可以看出，目前的数值模拟研究均集中于均匀NOx入口条件下旋风分离器内流场流动和脱硝反应特性，没有考虑炉内复杂稠密气固流动和燃烧所产生的NOx分布不均匀性。而循环流化床锅炉是典型的稠密气固流动体系,气固两相流动非常复杂，气固两相之间的相互作用会极大地影响炉内的均相和非均相反应

3、,并进一步影响生成物的分布;倪建明和韩静等的计算结果都验证了炉膛出口 NOx浓度是不均匀的,而速度场和浓度场的不均匀性导致了氮氧化物通量在水平烟道出口截面的不均匀性。因此,采用均匀入口条件来模拟SNCR脱硝反应是不够准确的,很有必要从源头上考虑炉内燃烧和流动及结构变化引起的非均匀性,这一工作为SNCR喷氨优化提供突破口。本文针对某电厂循环流化床锅炉SNCR脱硝过程,将循环流化床锅炉和旋风分离器作为一个整体,全面模拟了气固流动、燃烧反应、NOx生成和脱硝反应过程，根据燃烧反应计算得到的旋风分离器入口不均匀的NOx通量分布,采用不同的喷氨位置、喷氨角度和氨氮摩尔比来进行SNCR脱硝反应,使脱硝模拟

4、工况更接近实际情况,并研究氨氮的混合均匀性对脱硝效率的影响,得到最佳的喷氨方式,提高脱硝效率,降低氨逃逸率。1数学模型与计算1.1 基本控制方程欧拉双流体模型的颗粒流的流动特性是应用分子运动理论来求得的。气相湍流模型采用标准k-e模型，固相应用颗粒动力学理论,分别建立连续方程和动量守恒方程。1.1.1 连续方程 tap) + V。(apt) = m式中：a、p和r-气固两相的体积分数、密度和速度,m/左；m 质量源项,kg/ (图承该再L 1.2动量方程式中：了一压力应变张量，N;人一戋力系数：压力，N。二;二可阴阳线波电L 1.3能量方程亭apH) + V- (apiH) = V- (A V

5、T) +h I，- TJ +/n/(3)式中：，一气相或固相的总培，kJ/kg：lL导热系数./(mk)一气固两相间换热系数“/(小；出一气固非均相化学反应的能量源项,M/(m5*S)o乙 事端密电气固两相能量守恒方程为：L2燃烧化学反应模型固相包括焦炭、碳酸钙(CaC03)和煤,气相包括H2、HCN、CH4、H20、NO、NH3、CO、C02、02和N2。其中，煤的气化燃烧过程主要包括:煤的热解和脱挥发分;非均相的气固反应,包括焦炭燃烧和焦炭气化;均相的气相之间的反应,包括挥发分和焦炭气化气体的燃烧。煤热解产物主要由煤的工业分析及元素分析所确定,本文中电厂用煤煤质分析如表1所示。表1煤质分析

6、Tab. 1 Kp(nxunafe ami ultimate analysis “ coal元素分析Q.a工业分析C. H. O. N.力 /(MJ/城 V. .4“ J CM45.5 3.18 10.7 0.5S 0.5317.6624.74 14.77 24.21 36.28燃烧过程中气相燃烧的均相反应(R5-R7)、焦炭的燃烧(R2)和气化的非均相反应(Kl)(R2)(R3)(R4)(K5)(K6)三芬正化f物号I(R3、R4)如下所示:GkiIathar + bvolatile + asiiChar+0.5(%-COChar + HO-CO + H.Char+ CO,72COCO+0.

7、5(),tCO, *H, +(k5(h-H,0一 ，石CH4 +2( 一 CO, +2H,0其在煤热解动力学模型采用一对平行的、一级不可逆反应模型。煤热解反应速率可表示为:G =(匕儿+八、匕其中= 4.(uexp(-a(M/(/erj)(5)工=0. 2 ，儿=13 L，=KM 600 J/kmoL = 167 400 J/knxjL 工=0.3,1, = 1.(). 7.一颗粒温度，七。,之昂训陞急可焦炭燃烧速率可表示为:r2 = 0. 554rxp(- 10 824/F )晦 苜环泥化定祠焦炭气化速率可表示为:12献饮勋鞫RTilt 2 IuMm cwUinh for cluru2ook

8、h.小1|时时|海人”辆”3心526lllxIO1B.lxIO-1小1Uh 10“/H*4“95100-115100-2II5OOItt !(D手麻议冬舞均相的气相反应包括R5、R6和R7,它们的反应速率分别如式(8)、式(10)所示。G = 1.0 X 101、艾p(二与冲)CgC/(8)二手T通佐豫可% = 5. 159 X土当厂,气；/(9)力=3. 552 x 10uexp(ip)r,t7H4CO2,之:圈救i醺啮寓1. 3N0x生成和SNCR脱硝反应模型1. 3.1煤燃烧过程中NOx生成模型循环流化床锅炉中由于温度低,燃料浓度高等因素，快速型和热力型NOx生成量很少。因此本研究只考虑

9、燃料型NOx的生成。煤热解过程中,挥发分中的氮主要生成NH3和HCN,焦炭氮在焦炭燃烧中生成了氮氧化物。反应方程和反应速率如表3V力舰髀TdlJ OiMUion mlwn equation xA r* of ndnm(阳“卜M98Hitt斌切斯aHHWSf(UH%412.14.1(-10000/1)(W疝加一。川()h4，l.0hl/N(U凰”)(MhMf ()川：翩翩穗2L3.2SNCR脱硝反应模型Nguyen改进了 Brouwer等人简化的7步反应模型。化学反应速率为r=kClC2T,其中k=Ae-E/(RT), M为反应的中间体。反应动力学参数如表4所示。表SZMil程的化学反应动力学依

10、Tab. 4 Chromal kanunrtm in the S、CR及电力ALK话化能(kmnO，2.13x105.302.43 x 10gNHjAO 11i0 HM.K3 wIO17.65工 IO1HXCO M1.39 xlO110 853.45 xiO*Ul XO AwO i CO2.26XIO110-r6xio?、： H3.6X x!0*00(U MR.5x IOT0借邱谕化麻发电2物理模型及边界条件所选模型为某电厂75t/h循环流化床锅炉如图1所示,该锅炉高21. 4m,燃烧室XY截面沿Y方向长L=5. 6m, X方向宽W=3. 43m,底部布风板沿Y方向长4. 8m, X方向宽3.

11、 43m,旋风分离器轴向高度IL 3m,最大筒身直径3m,上部出口烟道直1. 45%SB 1循五T )礼不匕柒md力壮才美至卜1 m-t lire-i I Ke-二卜HH二：H三广三三W W本研究的三维模型计算域同时采用结构化和非结构化网格，由于给煤口、一二次风入口区域流场变化剧烈，因此对炉膛底部附近区域的网格适当加密。同时,为了提高旋风分离器区域计算精度,对旋风分离器网格采用分区域划分,部分区域采用非结构化网格，网格总数为47万多。计算中采用速度入口边界条件，出口采用压力出口，壁面采用无滑移边界条件。因为该电厂多数运行在80%负荷的工况下，因此本次计算主要针对该负荷下运行数据进行模拟,此时的

12、总煤量为3kg/s,物料为石灰石(CaC03),循环倍率为20,过量空气系数为1. 2, 一、二次风配比为7 ： 3,并假设固体最大堆积密度为0. 63,喷氨采用5%氨水溶液。模拟中先进行煤的热解燃烧反应,待稳定后再将SNCR脱硝反应代入。3计算结果与讨论3. 1气固流动特性图2展示了不同截面的冏相浓度分布,其中两个纵截面分别经过两个旋风分离器的中心。从图中可以看出，无论是在纵截面匕还是在横截面匕固相浓度分布都存在较大的差别,尤其是在纵截面,在床层底部存在典型的密相区,在床层上部存在明显的稀相区,这与文献中描述的规律一致。CMX*O.5OXMMO.CMMJJffl 2 阳和体/R分金女三田；_

13、J.:匕57言当为进一步验证模型准确性，我们对模拟得到的平均物料浓度分布与文献中现场测试结果进行了定量比较。图3展示了不同床高的平均物料浓度,该浓度值由床层压降和孔隙率等计算而得。其中，文献中75t/h循环流化床锅炉床高21. 56m,床层截面积18. 2n12,空床风速5m/s,运行负荷78%;而本模拟所采用循环流化床锅炉床高21. 4m床层截面积19. 21n2,空床风速4. 8m/s,运行负荷8096。由图中可知，两种情况下的平均物料浓度最大偏差低于5%,这进一步证明了模拟的准确性。 差做纳米 校结宋75 H忸力.K(W Hl W;3斡坏ttC/mIS 3实际承H类才以才失态下d勿料浓度

14、沿布屋分布F*. 3 Iitrilxition of aetiml aiul imulale*Ic-ofifcTitrationUil he拦ht工苜三二二f”三方m图4展示了在循环流化床炉膛内不同高度截面上,沿Y方向的平均固相浓度值分布,显示了颗粒分布呈现中心区域固体体积浓度低,近壁处固体体积浓度高的“环-核”流动,且随着炉膛高度增加,平均固体体积浓度逐渐降低,且截面的固体体积浓度的分布趋于均匀。这与文献的研究规律相符。* O.OI 50不问得是Mr ;吕y 方造千3勺ra和；衣息值分年三 C.OO1C】44volnm* fmaliofi 亚. Zr, f方向亩勺千为国和才会向速立分布卜於-