基于热平衡原理的SNCR射流混合模化试验*

卢志民

(华南理工大学电力学院∥广东省绿色能源技术重点实验室，广东广州510640)

射流混合是燃烧工程领域一个重要而意义深远的研究课题.实际工程涉及的射流基本都是湍流射流，湍流自由射流在向周围空间扩散的过程中，必然会产生湍流的物质转移和热量交换现象.根据湍流射流的“热质”交换相似性质，使用热平衡方法研究湍流混合过程是一种简单快速的方法［1］.

在选择性非催化还原(SNCR)技术中，氮还原剂的射流与烟气主气流的混合时间通常和化学反应时间是同一个量级的［2］.也就是说，反应是一个化学/混合控制的过程，混合对反应程度的影响很大.已有研究者利用示踪气体、气泡法定性和定量研究了SNCR技术中的混合问题［3-4］.

文中在一台1∶10的410t/h六角切圆电站锅炉模化试验台上，利用热平衡原理研究了高能SNCR射流混合的情况，探讨了喷射总流量、速度、喷嘴布置方式等影响因素对混合效果的作用规律，并进一步结合SNCR的动力学试验研究结果，引入理想脱硝率的概念，对不同混合方案所能达到的理想脱硝效果进行定量比较.

1 试验系统

试验使用的模化试验台见图1(a)所示，该模化锅炉长宽比为1.5∶1，采用燃烧器六角切向布置方式，炉膛断面尺寸为1.199 m×0.807 m，高3.01 m，炉顶布置模拟的过热器.关于模化试验台的一些具体参数可以参见文献［5］.

试验中，射流的喷入截面设置在折焰角下150mm，使用7组加热喷射器(由肋片加热器、温度控制器和流量计组成)，每组喷射器包含2个钢制喷嘴，喷嘴间隔为160～170 mm.喷嘴使用石墨聚四氟乙烯材料作隔热和密封的套头，避免有机玻璃壁面烧坏或漏风.7组加热喷射器从1到7进行编号，冷模炉膛、14股加热射流和温度测量截面的结构布置如图1(b)所示.

根据对垂直射流影响深度的计算［6］，横向射流大约在射入点下游100mm处即完全折向主气流，因此，温度测量截面设在射流截面上方120 mm处.共设104个截面温度测点，布置成13×8的测点矩阵(安装过程中造成了其中一个热电耦的开路，实际监测测点为103个).在射流截面以下300 mm处还设置了3个主气流测点.使用直径0.2mm的E型热电耦裸露测量温度.

图1 试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experiment system

14个喷嘴的流量经过标定，发现同一个加热喷射器出口的两个喷嘴的流量之间偏差不超过10%.使用K型热电耦测量射流出口温度，并通过XTMA型温度控制器控制电热肋片加热器的启停，将射流出口温度控制在(523±15)K.采用惠普公司生产的Agilent数据采集仪间隔2 s采集103个截面测点的温度信号、14个射流出口温度信号和3个炉膛主气流温度信号，并利用仪器的软件冷端补偿功能进行热电偶的冷端温度补偿.

试验中射流总流量qV为4～28m3/h(标准状态下，下同)，对应的原型炉膛射流流量占总烟气流量的比例β最大达到0.99%.采用了2.2、3.1和4.0mm孔径的3种圆喷嘴，模型实验中喷嘴最大的喷射速度接近300m/s，而模拟的炉膛原型的喷嘴喷射速度v达到47～414m/s.所采用的流量和喷射速度覆盖了实际工程常见的工况范围.

2 试验分析方法

以温度测量截面上的测点为节点，在该截面建立13×8个矩形微元控制体，微元控制体内气流符合以下能量和质量守恒方程［1］:

式中:c、qm、T分别代表比热、质量流量和温度，下标1、2、3分别代表射流、主流和混合气流.由于测点处于炉膛上部速度分布比较均匀的地方，因此假设通过每个微元控制体的主流流量与微元截面积成正比，qm2可以根据微元截面积与总截面积之比进行计算.试验中，T1≈523 K，T2≈303 K，而T3最大值为308 K，因此，取 c1≈1.951 kJ/(kg·K)，c2、c3取1.044kJ/(kg·K).

根据能量和质量方程(1)和(2)，可以推出:

由式(3)可知，微元控制体内射流和主气流的流量比qm1/qm2(即混合分数w)可以从截面温差ΔT=T3－T2推出.则根据试验中射流前后测量截面各微元的温度变化情况，可得微元控制体内的混合分数.假设喷入的氨和烟气中的NOx在射流和主流中均匀分布，则混合分数w与微元氨氮比一一对应.在建立了截面温差－混合分数－氨氮比的对应关系以后，在以下的分析中，就可以直接分析微元控制体的氨氮比分布.

由于热电耦的制造加工条件的差异，103个温度测点在静态下存在将近1 K的温度偏差.但单个热电耦的温度－时间测量特性稳定:试验前、后进行2～3次基础工况温度测量，在10min内103个温度测点随时间波动的平均绝对偏差最大值不超过0.14K，90%测点的绝对偏差不超过0.05 K.因此，将温度测量矩阵与基础工况的温度矩阵进行比较，可得出截面温度的变化情况.同时监测炉内主气流的入流温度，排除气温变化的影响.

SNCR动力学实验研究表明，在理想条件下(合适的反应温度、足够的停留时间、充分的混合)，理想脱硝率能够达到90%(氨氮摩尔比 NSR= 1.2)［7］.假设微元控制体内混合充分，SNCR反应的效率只和微元控制体内的反应物浓度有关.设微元理想脱硝率为 90%，即当局部的氨过量(NSR≥1.2)时，微元内90%的NO被还原;当局部氨不足(NSR＜1.2)时，氨的利用率为90%，即脱硝率为0.9NSR/1.2×100%.根据以上假设，将整体混合不均匀的截面分成若干个混合均匀的微元控制体，用微元理想脱硝率计算各个微元控制体内的脱硝反应效率，加权叠加得到整体截面的理想脱硝率.

3 结果分析

3.1 同一尺寸喷嘴下的不同喷射总流量qV

Østberg等［8］的实验研究表明，冲量比的增加能提高NOx的脱除率.qV的增大，能提高射流的冲量，使射流达到更好的穿透和混合效果.试验使用2.2mm喷嘴，qV从10.5 m3/h增加到28m3/h，对应原型炉膛的射流/烟气流量比β为0.37%～0.99%.图2中记录了不同流量下的截面氨氮比NSR分布图.从图2(a)中可以看出，当qV=14m3/h时，炉膛中心出现大片的NSR接近于0的混合死区.而在3#喷射器出口处，局部NSR=4，表明射流动量太低，在主气流的作用下，射流容易被主流吹偏而难以达到炉膛的中心区域.

图2(b)中，qV升高到21m3/h，喷射器出口对应位置的NSR峰值更高，射流开始深入到炉膛中心位置.

在图2(c)中，qV=28 m3/h，根据文献［6］中的经验公式计算，此时射流最大影响深度为379 mm.这样，前墙的射流基本上可以达到炉膛的中心.从氨氮比的分布图来看，射流的穿透更深，截面混合效果好.在后墙附近存在一片没有混合的死区，表明仅在三面炉墙进行喷射，则射流不能到达后墙.

图2 不同喷射总流量qV时截面氨氮比分布图Fig.2 NSR distribution at different injection flowrate 14个2.2mm喷嘴

理想脱硝率η随喷射总流量qV变化趋势如图3所示.qV从10.5 m3/h增大到28 m3/h，η随之从47%升高到58%.当qV增大时，射流可以喷入炉膛的深处，直达到炉膛的中心区域，达到很好的截面覆盖率和脱硝效果.但在工程应用中，大的喷射总流量需要大容量、高压头的风机或者高参数的蒸汽来源，也会影响锅炉运行的稳定性和经济性.因此，喷射总流量与总烟气流量之比β往往限制在2%以下［3，9］.

图3 不同喷射总流量下的理想脱硝率Fig.3 Ideal NOxreduction ratio at different injection flowrates

3.2 相同喷射总流量qV下的不同喷射速度v

qV相同，不同的喷射速度v对混合和脱硝效果也有很大影响.图4表示了η随v变化的趋势，从图4可以看出，v=210m/s时η最高，达到53%.v降低到106和64 m/s时，η分别为48%和45%.使用高速的射流可以将理想脱硝率提高8%左右.此时对应原型锅炉上的工况为:β=0.74%，v分别为311、157和94m/s(分别使用2.2、3.1和4.0 mm三种孔径规格喷嘴).

图4 不同喷射速度下的理想脱硝率Fig.4 Ideal NOxreduction ratio at different flow velocities

3.3 相同喷射总流量qV下的不同喷嘴数目N

关于喷嘴数目N和布置方式对混合和脱硝效果的影响，目前还没有一套成熟的理论可以解释.一般根据实际的炉膛结构和布置方式进行冷态喷射策略的模拟，结合计算流体力学的模拟来进行评价和优化.从文献［10-12］的模拟优化结果来看，对长宽比大的喷射截面，使用8－12个喷嘴进行前墙和侧墙的喷射，喷嘴可以相对集中布置在前墙，前墙的喷嘴布置可以进一步地向中心集中，以达到更好的炉膛中心穿透效果.

文中针对410 t/h六角切圆改造锅炉的冷模台架，试验了5种喷嘴布置策略来确定最佳的喷嘴数目N.首先采用图2(a)所示工况，在qV相等的情况下，逐步停用2#、6#、3#、5#喷射器.随着N的减少，单喷嘴的流量增大，喷嘴出口处的射流穿透能力越来越强.而在6个喷嘴的喷射策略下，由于射流都集中在炉膛深处，不能有效覆盖炉膛前墙和两侧墙的近壁面区域，因此未必会得到很好的整体混合和脱硝效果.

图5为不同喷嘴数目N下理想脱硝率的变化情况.从图5中可以看出，η随着N的减少而先上升后降低.N=14时，炉膛的穿透混合差.N减小可以改善壁面区域的混合状况，改善脱硝效率.N=10时，理想脱硝率达到了52%.N继续减小，壁面附近的混合恶化，炉膛穿透效果的进一步增强并不能弥补壁面区域混合的恶化，η反而会下降.使用6个喷嘴时，η下降到46%左右.

总的来说，N的取值应该兼顾炉膛的穿透和壁面附近的混合.在试验条件下，N=10时脱硝效果最好.

图5 不同喷嘴数目N下的理想脱硝率Fig.5 Ideal NOxreduction ratio at different nozzle numbers N

3.4 相同喷射总流量qV和喷嘴数目N下的不同喷嘴布置策略

在qV和N不变的情况下，喷嘴需要根据炉膛烟气动力场的实际情况进行针对性布置，才能促进混合和脱硝的效果.试验保持前墙3个喷射器喷射，通过侧墙不同喷射方式的组合来评价不同喷射策略的脱硝效果.

采用1#－5#喷射器喷射时，截面的NSR分布基本上沿对角线分成两部分，混合只发生在布置了射流的右侧三角形.在右下角2#和3#喷射器出口相交的地方，局部NSR达到最大.由于左上侧炉膛留有大片的死区，因此，这种喷射布置策略的理想脱硝率仅为48%.采用2#－6#喷射器的喷射，喷射的射流只集中在炉膛布置了射流的前半部分，炉膛的后半部分基本没有射流的混合.这种喷射布置策略的η仅为44%.

因此，最好的喷射策略应该是前墙6个喷嘴、侧墙各2个喷嘴布置在靠近后墙的地方，这样可以达到52%以上的理想脱硝率.

3.5 提高氨氮比NSR对理想脱硝率的影响

在SNCR的实际应用中，可以通过提高NSR的做法来提高η，文中通过理想脱硝率的概念，将化学动力学研究的结果和混合的模拟结合起来.通过简单地提高总体NSR来考察氨氮比提高对η的作用.

图6是不同氨氮比下η和NSR＞3.0的微元个数M的变化情况.从图6中可以看出，η随着NSR的增大而升高，NSR=1.0时，η=52%;NSR=5.0时，η上升到78%.在NSR较小时，η随NSR的增大上升得很快.当NSR＞2.5后，η随NSR的增大而上升的趋势变缓.这个结论与王智化等［13］的研究结果相似.

图6 不同氨氮比下的理想脱硝率Fig.6 Ideal NOxreduction ratio at different NSRs

提高NSR可以提高脱硝率，但同时会引起氨逃逸浓度剧烈上升.可通过分析微元控制体内NSR＞3的微元个数M来分析氨逃逸随着氨氮比升高的变化趋势.从图6中可以看出，M从NSR=1.0时的7个上升到NSR=5.0时的53个.这些微元内局部积聚的氨很容易导致氨反应不完全，引起氨排放浓度升高，造成操作、安全上的问题.

4 结语

文中介绍了一种快速简便的热平衡混合模化试验方法在SNCR技术中的应用.在一台1∶10的410 t/h六角切圆电站锅炉模化试验台上，进行了喷射总流量、速度、喷嘴数目和布置方式等对混合效果影响规律的研究，并通过引入理想脱硝率的概念，定量比较不同的混合方案所能达到的理想脱硝效果.试验方法和结果对射流混合的工程研究和SNCR技术的工程应用有很好的指导作用.

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