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在燃煤锅炉和垃圾焚烧锅炉的燃烧产物中,氮氧化物(NOx)是危害严重的大气污染物。2011年发布的《火电厂大气污染物排放标准》中规定燃煤锅炉NOx的排放浓度限值为100mg/m3,而现有燃煤锅炉的NOx排放值大约在600~1200mg/m3。

虽然可以通过低NOx燃烧方式来降低其排放,但仍无法达到日益严格的环保要求,因此,烟气脱硝作为降低NOx排放的最后一个环节,其作用不言而喻。目前,工程中常用的脱除烟气中NOx的方法包括SCR(选择性催化还原)和SNCR(选择性无催化还原)2种形式,相对于SCR技术,SNCR技术的建设周期短,投资和运行成本低。

研究结果表明,在温度为850~1100℃条下,SNCR的脱硝效率可高达90%。但目前运行的SNCR装置中,脱硝效率一般低于50%,其中重要的原因是还原剂与NOx混合不理想。因此,通过数值模拟的方法,预测还原剂在高温炉膛内的混合情况对SNCR的实际应用有非常重要的意义。

在SNCR工艺中,NOx的脱除率由多种因素决定,主要包括:反应温度、停留时间、还原剂与烟气的混合程度、还原剂与NOx的摩尔比、NOx初始体积浓度、氧浓度、添加剂的影响等。

NOx的产生及脱除模型极其复杂,包括众多假设及简化。其中NOx根据产生机理可分为热力型、燃料型及快速型。热力型NOx的产生基于Zeldov-ich原理;燃料型NOx是由燃料中的氮裂解成HCN等中间产物,再被氧化成NO。但在热力型NOx和燃料型NOx的生成过程中,温度、氧浓度、停留时间等均会影响NO的生成。

此外,添加再燃燃料也会影响NOx的生成以及SNCR反应过程。而NOx与还原剂的反应涉及到207个基元反应,如此众多的方程给数值计算带来了极大的困难,因此需要对其进行简化。李维成等对SNCR过程的反应进行简化,最终得到12个组分8步总包反应的简化机理,Nguyen等提出简化的7步反应模型,卢志民则对几种反应机理进行对比,并进行敏感性分析,研究各模型预测的准确性,李穹等采用简化的SNCR反应机理研究了温度、氨氮摩尔比等对SNCR脱硝效率的影响。

而NOx与还原剂的反应能否顺利进行与还原剂和烟气的混合程度、停留时间、相变过程以及反应物的浓度有着直接关系,因此,仅从化学反应动力学角度进行研究还不足以准确预测SNCR过程NOx的脱除程度。Liang等采用实验手段对SNCR过程中的混合过程及停留时间等进行了研究。

为了进一步优化SNCR工艺中还原剂的喷射方案,从而强化还原剂与烟气的混合效果,本文采用数值模拟方法研究SNCR过程中还原剂喷雾、混合和扩散问题,通过计算还原剂的覆盖面积,并考虑氨氮摩尔比估算其脱硝效率;重点研究喷雾过程的影响,得到喷雾粒径、喷雾量、蒸发时间、喷雾距离等对SNCR过程的影响。

1、模型描述及研究方法

1.1研究模型

选择性无催化还原脱硝技术是在没有催化剂的条件下,利用还原剂将烟气中的NOx还原为无害的N2和H2O的过程。由于需要研究液滴在高温烟气中的相变及扩散过程,必须考虑气液两相(高温烟气与还原剂液滴)的耦合作用。

在SNCR过程中,实际喷射的还原剂溶液一般为稀溶液(浓度为5%~7%),因此,可用水蒸汽的浓度分布近似表征还原剂的浓度分布。喷雾量与烟气量相比非常稀薄,可采用Fluent软件中的离散相模型,烟气为连续相,在炉膛内自下向上流动。还原剂的水溶液为第二相,还原剂以液滴的形式喷入炉膛与烟气混合、换热,并逐渐蒸发和扩散。

由于本文不考虑SNCR过程的化学反应,故选用无化学反应的组分输运模型(speciestransportmodel),考虑液滴的传热方程、蒸发与沸腾方程,忽略热泳力、saffman升力、布朗力,以及粒子辐射力。由于炉膛中烟气温度较高,需要考虑辐射传热,根据光学深度(αL)选择颗粒的辐射模型(P1)。

本课题研究烟气的脱硝效率,不研究NOx的产生过程,因此,按照烟气分析仪测得的烟气成分将烟气中的NOx折算成NO。由于研究过程不包括燃烧过程,建模时可省略布风板以下部分,认为炉膛内流体为均匀的烟气混合物。

前已提及,SNCR的窗口温度为850~1100℃,因此,需将其喷入炉膛内合适的温度处,而省煤器、空预器处温度已不适合SNCR反应,为简化模型,只考虑旋风分离器以前的部分。根据上述简化建立的计算模型见图1。网格划分原则上需兼顾计算精度及计算时间,通过在重点研究的位置加密网格(喷雾位置),最终划分网格数863280个。

SNCR的喷雾与混合过程及其对脱硝效率的影响研究

1.2边界条件

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