1 引言
最新《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)要求，循环流化床(CFB)锅炉NOx排放量应低于200mg/m3(6%O2)，CFB机组具有低NOx排放的优势，绝大部分CFB机组NOx排放量在150~350mg/m3，由于CFB锅炉在正常的运行过程中，炉膛温度范围为850～1000℃，正好处于SNCR法脱硝的合理反应温度范围，其次，CFB锅炉炉内温度场和流场随锅炉负荷的改变而产生的变化较煤粉炉小，喷枪位置易于选择，故CFB锅炉较煤粉炉更加适合SNCR烟气脱硝技术。
CFB锅炉的SNCR系统脱硝效率可达50%～70%，基本可以满足标准中“一般地区的排放限值为200mg/m3，重点地区的排放限值为100mg/m3。”的环保要求。喷枪的布置方式及数量选择是CFB锅炉SNCR技术的核心，对于CFB锅炉，SNCR喷枪通常布置在旋风分离器入口烟道，本文利用ANSYS Fluent软件，以某蒸发量450t/h的CFB锅炉旋风分离器为模型，探讨了喷枪位置及数量对还原剂浓度分布的影响，研究结果可为CFB锅炉SNCR烟气脱硝系统的优化设计提供相应指导。
2 模型的建立
SNCR烟气脱硝模型选取DG450/9.81-1型循环流化床锅炉，使用尿素为还原剂。炉膛出口烟温760～890℃，湿烟气量(标态、湿基、实际O2)514436Nm3/h，氮氧化物出口浓度102-176mg/Nm3（标态、干基、6%O2）。考虑到还原剂与烟气的混合情况是SNCR技术的关键点和主要制约因素，采用计算流体动力学（CFD）数值模拟方法，对SNCR关键过程进行数值模拟，了解相关因素对还原剂与烟气混合情况的影响，以实现良好的混合效果。
2.1计算区域及网格划分
在CFB锅炉旋风分离器内部，其流动程度比较剧烈，同时具有SNCR反应发生的合适温度（温度窗口850℃~1150℃）和较长的停留时间（0.5s），因此在通常情况下，SNCR还原剂喷入位置位于CFB锅炉旋风分离器进口水平烟道处。本项目的计算区域即选择为锅炉旋风分离器。下图所示为计算区域及其网格划分情况：
图1 计算区域及网格划分
2.2模型建立
2.2.1模型假设
1）在旋风筒内仅计算单相稳态流场，不考虑颗粒对分离器内部流动的影响；
2）假定烟气主要组分为N2、NO、O2、CO2和H2O，具体份额由招标文件给定；
3）还原剂的主要组分是尿素CO(NH2)2，液滴的蒸发过程通过DPM模型设置。
2.2.2输运方程
采用Reynolds时均法在欧拉坐标系下对各组分建立输运方程，包括：
公式1 质量守恒方程
公式2 动量守恒方程
公式3 组分守恒方程
公式4 温度形式的能量守恒方程
采用Realizable k-ε双方程模型求解湍流过程，采用P1模型计算旋风筒内的辐射特性。采用Lagrangian方法求解示踪颗粒的运动轨迹，以及随机轨道法求解颗粒运动和湍流脉动的相互作用。
2.2.3计算方法及边界条件设置
选择二阶迎风格式进行离散，使用压力修正算法和隐式差分方法对控制方程进行求解。
分离器入口采用速度入口边界条件，速度为20m•s-1，烟气温度为900℃；分离器出口采用压力出口边界条件；由于实际过程中气体基本不从分离器底部出口流出，将其按壁面条件处理；壁面边界条件设置为绝热壁面。设置尿素喷入温度为300K。分离器入口烟气的NO浓度均为250mg•m-3。
3 喷枪位置及数量对还原剂浓度分布的影响
喷枪的布置位置及数量是影响SNCR还原剂与烟气混合情况的关键因素。本文通过考察分离器内部还原剂的混合情况，研究喷枪位置方式和数量的影响。
3.1喷枪布置方式的影响
结合工程经验及项目实际情况，选择旋风分离器水平进口段进行竖向布置。选取了两种布置方式进行比较，分别为进口段外侧布置和进口段内侧布置，喷枪个数均为3个，喷枪布置示意图如下所示：
图2 喷枪位置示意图
两种布置方式下，还原剂分布情况的模拟结果如下图所示：
图3 喷枪不同位置模拟结果
从上图可以看出，喷枪位置对还原剂在分离器内部的分布有明显的影响。喷枪布置在分离器水平进口段外侧时，还原剂先沿旋风筒外壁随烟气向下旋流至分离器下部收缩段，随后向上流入分离器中心筒，离开分离器，还原剂在收缩段的分布较为集中。此时，由于还原剂在分离器内部的流动时间过长，极易被氧化为N2甚至NOx，会造成还原剂的损失，影响脱硝效果。喷枪布置在分离器水平进口段内测时，还原剂进入旋风筒后，随即跟随烟气进入分离器中心筒，离开分离器，还原剂集中于分离器上部中心筒附近。此时，还原剂在分离器内部的流动时间过短，还原剂与烟气中NOx来不及充分反应，即流出分离器，无法满足脱硝效率的要求，同时造成较高的氨逃逸量。
综合以上分析结果，在分离器水平进口段单侧进行喷枪布置，并不是非常合适的选择。结合单侧布置的特点，在水平进口段两侧进行喷枪布置是一种较为合适的方案。
两侧布置的方案主要有两种情况，一是两侧相对应的喷枪均位于同一高度平行布置，二是对应喷枪交错布置。两种喷枪布置示意图如下所示：
图4 喷枪位置示意图
不同喷枪布置方式下，还原剂的分布情况如下图所示：
图5 还原剂分布情况
从上图可以看出，在喷枪平行和交错布置方式下，还原剂的分布情况大体一致，与单侧（内、外）布置方式相比，两侧布置下还原剂的分布较为均匀，是较为合理的布置方式。相对于平行布置，交错布置方式下的还原剂分布更加均匀，可以认为是一种更优化、更高效的布置方式。
3.2喷枪数量的影响
除了喷枪的布置方式，喷枪数量也会影响还原剂的分布情况。在每台锅炉有两台旋风分离器的条件下，分离器水平进口段每侧至少布置三支喷枪。在交错布置的情况下，分别选择了每侧3支和每侧4支喷枪来进行比较。下图所示为不同喷枪数量下，还原剂在分离器内部的分布情况：
图6 还原剂分布情况
从上图可以看出，每侧喷枪数量的多少直接影响还原剂在分离器内的分布情况。每侧3支喷枪，其在分离器下部收缩段的还原剂分布较少，而每侧4支喷枪时，在这一区域的还原剂分布较多。还原剂在分离器下部收缩段分布较多时，可能会造成还原剂被氧化为NOx，影响脱硝效果。
如果过多的增加还原剂喷枪的数量，可能会导致单支喷枪的喷射动量不足，还原剂溶液无法喷入较深的位置，无法达到设计要求的覆盖范围，因此不能一味的增加还原剂喷枪的数量，要将覆盖面积和喷射深度统筹考虑，以达到最佳的脱硝效果。
4 主要结论
本文采用CFD流场模拟方法探讨了CFB锅炉SNCR还原剂分布的关键因素，通过在旋风分离器入口烟道设置喷枪，考察了分离器内部还原剂的混合情况，研究了喷枪布置方式和数量的影响，研究发现：
喷枪位置对还原剂在分离器内部的分布有明显的影响，喷枪在分离器入口烟道水平段双侧布置时，还原剂分布均匀性好于单侧布置，且双侧交错布置优于双侧平行布置。
喷枪数量对于还原剂在分离器内的分布情况也有明显影响，表现在当分离器入口烟道每侧布置4支喷枪时，相比3支喷枪条件下分离器下部的还原剂浓度明显增加，分离器内部还原剂分布均匀性大大提高。
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本文标题：CFB锅炉SNCR脱硝技术数值模拟研究
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