流化床流动和燃烧特性对SNCR脱硝的影响研究

北极星环保网讯: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%,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,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-ε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

1.1.2动量方程

1.1.3能量方程

气固两相能量守恒方程为:

1.2燃烧化学反应模型

固相包括焦炭､碳酸钙(CaCO3)和煤,气相包括H2､HCN､CH4､H2O､NO､NH3､CO､CO2､O2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｡

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(R3､R4)如下所示:

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