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循环流化床锅炉SNCR反应机理与脱硝特性数值模拟

为验证SNCR反应简化机理的准确性,将SNCR反应的复杂机理与两步简化机理进行化学动力学对比计算分析,结果表明,在920~ 1040℃,2种机理对反应器出口NO和NH3体积分数的计算结果比较接近。利用Fluent软件结合两步简化机理进行数值模拟,结果表明,随着温度的升高,脱硝效率先增加后降低,在925℃左右达到最大值,而氨逃逸量持续降低;增加还原剂用量,最佳反应温度保持在925℃左右,脱硝效率和氨逃逸量都会提高,但脱硝效率的涨幅会逐渐降低,而氨逃逸的涨幅逐渐升高;提高烟气氧含量能使反应的温度窗口向低温方向移动,使氨逃逸量和脱硝效率同时降低。

SNCR脱硝

循环流化床(CFB)是一种新型的清洁燃烧技术,CFB锅炉具有燃料适应性好、负荷调节范围宽、燃烧温度低、空气分级送入等特性。CFB锅炉较低的燃烧温度能有效抑制NOx的生成,但随着国家最新标准的实施,绝大部分现有或新建的循环流化床锅炉的NOx排放浓度己经不能满足排放标准要求,因此需要额外采取有效措施控制NOx的生成CFB锅炉的燃烧温度在SNCR温度窗口范围内,而且整个循环回路内温度相对稳定,NOx初始生成浓度低,不需要较高的脱硝效率就能达到排放要求。而且其特有的旋风分离器结构,为SNCR反应提供了合适的反应空间和足够的反应时间。因此,CFB锅炉非常适合采用SNCR技术控制NOx排放浓度。

计算流体力学软件(CFD)是数值模拟研究SNCR脱硝系统的一种重要方法。Shin等对某台40t/h燃烧重油的工业锅炉进行CFD模拟,主要研究喷射液滴直径,喷射位置和还原剂用量对SNCR反应的影响,结果表明对于小尺寸的工业锅炉,提高喷射速度和喷射粒径可以提高脱硝效率。李竞岌等利用Fluent软件对某185t/h CFB锅炉分离器及尾部烟道流场进行性能优化模拟,并根据结果设计了相应的SNCR烟气脱硝系统。

目前,对于循环流化床SNCR的数值模拟主要集中在对脱硝效率影响因素的研究,对于脱硝反应机理的模拟较少,由于反应机理是影响模拟结果精确度的决定性因素,本文利用Chemkin软件对复杂机理与两步简化机理进行了模拟,并利用Fluent软件,对某台130t/h循环流化床锅炉脱硝特性进行了研究。

1 SNCR反应简化机理

在SNCR脱硝过程中,还原剂虽然能将NOx转化成N2,但是也能与O2反应生成NOx。还原反应的选择性会随着温度的升高而降低,反应速率也会随之提升,这就将SNCR反应过程限制在一个很窄的温度窗口,而温度窗口的下限温度由反应停留时间决定。前人通过使用大量的基元反应构建了SNCR脱硝反应过程。Miller等对SNCR详细反应机理进行了研究,提出反应机理包含53种反应物和251个基元反应,涉及NH3与NO的基元反应和CH4被氧化的基元反应,该机理对SNCR反应的模拟比较准确。Ro-ta 于2001提出一种包含171步反应31种物质的详细化学机理,该机理模型的化学动力学模拟结果与卢志民等接近。

复杂机理虽然可以对SNCR反应进行深入的分析和比较准确的预测,但应用到CFD模拟中会消耗大量的计算资源,因此一些学者通过敏感性分析等方法对详细反应机理进行适当简化。Martin等Di-izl提出了两步竞争反应机理(图1),描述了SNCR反应的主要特征,包括NO被还原的过程和NH3被氧化的过程。

SNCR脱硝

图1 SNCR简化反应机理

SNCR简化反应机理的反应式为

SNCR脱硝

Brouwer等计算了式(1) , (2)的反应级数和反应速率常数,并给出NO和NH3的反应速率计算公式,

SNCR脱硝

利用Chemkin软件对复杂机理与两步简化机理进行比较。采用Chemkin软件平台提供的PSR反应器。PSR反应器假设物料以稳定的流量进入反应器后,瞬间在整个反应器内均匀分散并与反应器内原存留的物料完全混合,因此反应物向生成物的转化速率不受混合过程控制,适合模拟详细的化学反应机理。


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