城市垃圾焚烧炉SNCR脱硝系统优化

陈志刚，黄巧贤，杨波，李茂东，黄国家，曹丽英

( 广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510100)



城市垃圾焚烧炉SNCR脱硝系统优化

陈志刚，黄巧贤，杨波，李茂东，黄国家，曹丽英

( 广州特种承压设备检测研究院，广东 广州 510100)

运用计算流体动力学模拟软件FLUENT对城市生活垃圾焚烧炉在不同工况下进行了选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脱硝系统的数值模拟优化研究。结果表明，下层SNCR喷嘴喷入的还原剂可与烟气进行充分的混合，脱硝效果更好；在还原剂总流量一定的情况下，增加下层SNCR喷嘴流量，有利于SNCR脱硝效率的提高，6∶3∶1的配比使得垃圾焚烧炉脱硝效率达到53.3%；与其他喷射速度相比，原始喷射速度(13.8 m/s)工况的混流效果较好，脱硝率达到51.7%。

垃圾焚烧炉；选择性非催化还原；优化

垃圾焚烧发电锅炉属于高耗能特种设备之一，它的质量安全与节能减排关系到人民生命财产安全和经济社会安全，对于促进社会节约发展、安全发展和清洁发展具有重要意义。我国城市人均年产垃圾400～500 kg，城市生活垃圾储存量已达60×108t，侵占土地面积5×108m2，有200多个城市已被垃圾包围，并且以8%～12%的年增长率快速增长。垃圾已成为社会普遍关注的热点和难点问题。

选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脱硝技术的原理是在一定温度窗口内将还原剂喷入炉膛，将烟气中的氮氧化物还原成无害的氮气和水，整个过程不需要催化剂。SNCR脱硝技术中，一般采用尿素或氨作为还原剂，由于不采用催化剂，反应须有较高的反应温度，炉膛温度一般为850～1 100 ℃[1-2]。工程实例中，SNCR的脱硝效率一般为30%～75%[3]，是在垃圾焚烧炉中应用较多的一种脱硝工艺。SNCR技术因为其经济适用的优点，已在燃煤电站锅炉中得到了广泛的应用。但从应用情况来看，仍然存在氨分布不均、水冷壁腐蚀等问题[4-5]，为此也采取了相应的措施。在垃圾焚烧炉SNCR技术的研究上，J.Møller等[6]通过生命周期的方法评价了其应用。梁增英[1, 7, 8]结合数值模拟与实验研究了垃圾焚烧炉SNCR技术的化学反应机理。在脱硝还原剂的研究方面，已有关于燃煤电站[9]与工业锅炉[10]的SNCR技术的研究，但是仍未有关于垃圾焚烧炉SNCR脱硝系统的分析与优化研究。本文在焚烧炉最大连续蒸发量(maximum continuous rating，MCR)工况下，利用计算流体动力学模拟软件分别对喷嘴位置、喷射速度以及分层喷射比例对SNCR的脱硝效果进行模拟研究，通过对还原剂喷射的模拟，确定本模型的优化喷氨参数以及喷氨位置，为实际焚烧炉SNCR脱硝装置的优化运行设计提供指导性参考。

1 研究对象与方法

表2 模拟计算工况

工况序号喷嘴启闭工况SNCR-1SNCR-2SNCR-3不同喷射速度工况喷射速度/(m·s-1)与原始工况的速度比值不同层喷射配比工况SNCR-1∶SNCR-2∶SNCR-30开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)13.811∶1∶11开启(27.6m/s)开启(27.6m/s)关闭27.621∶1∶02开启(41.4m/s)关闭关闭41.431∶0∶03开启(6.9m/s)开启(6.9m/s)开启(6.9m/s)6.90.51∶1∶14开启(10.35m/s)开启(10.35m/s)开启(10.35m/s)10.350.751∶1∶15开启(17.25m/s)开启(17.25m/s)开启(17.25m/s)17.251.251∶1∶16开启(20.7m/s)开启(20.7m/s)开启(20.7m/s)20.71.51∶1∶17开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)13.816∶3∶18开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)13.814∶2∶49开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)13.812∶6∶210开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)开启(13.8m/s)13.811∶3∶6

1.1 研究对象与网格划分

图1 垃圾焚烧炉的整体结构

本文的研究对象是广州市内某一垃圾焚烧发电厂的750 t/d垃圾焚烧炉，采用四级逆推往复式炉排运转模式，根据现场焚烧炉，建立起“焚烧炉+三烟道”的总模型，如图1所示。根据垃圾焚烧发电厂实际运行情况，在网格划分时将焚烧炉划分成10个区域，即燃烧室以及每个烟道划分3个区。网格划分时在床层、二次风和燃尽风风口以及较小面积的区域进行局部加密，总网格数约达145万。焚烧炉的燃料为广州市生活垃圾，其工业分析、元素分析和低位热值见表1。

表1 广州市生活垃圾的燃料特性

分析类别项目质量分数/%元素分析C57.625H8.453O31.5N0.234S0.469工业分析收到基挥发分26.18收到基灰分18收到基固定碳5.82收到基水分50

注：元素分析均为干燥无灰基。

1.2 SNCR喷嘴布置

分别于锅炉标高9 m、14.5 m和17 m处布置3层SNCR喷嘴，从下至上一次命名为SNCR-1、SNCR-2、SNCR-3，每层布置喷嘴数为7只，呈一定角度布置。具体布置如图2所示，喷嘴竖直方向均为45°布置，喷枪半径为9 mm，长度为300 mm，伸入锅炉内部分为150 mm。在氨水总流量(0.011 66 kg/s)一定的条件下，通过3层SNCR喷嘴的启闭来模拟不同喷嘴位置喷射氨水的脱硝效果，具体工况见表2。

单位为mm。图2 喷枪布置图

1.3 研究方法

本文在计算流体动力学软件FLUENT的基础上结合床层计算软件FLIC模拟垃圾在炉排炉里的燃烧特性。床层上的垃圾焚烧采用FLIC软件的运动模型，其结果作为速度入口边界导入至FLUENT软件的一次风入口；焚烧炉内的燃烧采用组分运输模型；炉内燃烧过程的控制方程由Simple算法求解[11]；采用标准κ-ε双方程湍流模型模拟炉内湍流流场[12[13]；SNCR反应中氨水的喷入采用离散项模型，其反应过程应用SNCR反应，即NO+NH3+1/4 O2→N2+3/2 H2O；二次风边界采用速度入口，而烟道出口边界采用压力出口；炉膛与烟道的边界条件按实际运行的边界进行设定，有定温、绝热、定热流边界。

2 结果与讨论

2.1 模型验证

以电厂实际运行的MCR工况作为本研究模型的验证，文献[14]已对电厂实际运行测量的数值(多点温度、O2和H2O浓度)与模拟得到的焚烧炉炉膛参数进行了对比，结果显示以上的参数均远小于20%的工程误差范围，符合模拟的要求。此外，本文主要针对SNCR脱硝系统的优化进行研究，故需要分析NO的分布情况。电厂实际运行时，SNCR脱硝前和脱硝后尾部烟道出口平均NO质量浓度(标准状态下，氧的体积分数为11%，下同)分别为250 mg/m3和120.3 mg/m3，而模拟计算所得的SNCR脱硝前和脱硝后尾部烟道出口平均NO质量浓度分别为273.1 mg/m3和131.9 mg/m3，误差分别为-9.24%和-9.64%，两者均远小于20%的工程误差范围，符合模拟要求。由此证明本研究的模型是准确可信的。

2.2 温度分布

从中剖面的温度分布(如图3所示)来看，各工况整体温度相差不大，但是3层SNCR喷嘴全开的工况0的第一烟道温度分布较为均匀，仅开启SNCR-1的工况2在第一烟道进口处温度水平较其他工况要高一些，1、2工况在SNCR-3所在平面的平均温度水平要低于开启了SNCR-3喷嘴的原始0工况，其高温区域偏向后墙，也即远离前墙喷嘴的区域。这是因为没有SNCR-3喷入氨水发生还原反应放热，所以温度略微低于其他有SNCR还原反应的区域。

温度单位为K，从左至右为0、1、2工况。图3 炉膛中剖面温度分布云图

2.3 NO分布

从左至右为0、1、2工况。图4 第一烟道NO体积分数分布云图

原始工况0 SNCR脱硝后的第一烟道NO体积分数出现明显分层，第一烟道由下至上NO体积分数逐渐降低，有着明显的浓度梯度。图4中可以看到依次关闭SNCR-3和SNCR-2两层喷嘴后，也即将氨水集中在第一烟道中下部喷入，得到了很明显的脱硝效果。从第一烟道的NO体积分数分布来看，由于烟气向上流动的影响，1、2工况的第一烟道上部出现大范围的NO体积分数较低区域，主要原因是：SNCR-1喷射的氨水随烟气上升行程较长，能与烟气中的NO充分混合，因而SNCR-1层喷射的氨水还原反应较为充分，脱硝效果较显著；而SNCR-3喷出的氨水部分随着烟气进入了第二烟道，而第二烟道的温度并不适于氨水SNCR反应的进行，因而产生了漏氨现象，使得脱硝效果受到影响。

图5中SNCR-1平面的NO分布由于受烟气上升作用的影响，SNCR-1喷入的氨水被烟气带入上方空间，因而在这层平面的NO体积分数水平仍然较高，没有明显下降，不过在喷嘴处还是可以观察到一些NO体积分数低的区域。

图5 SNCR-1平面NO体积分数分布云图

从图6中SNCR-2层平面开始，可以明显观察到将氨水集中于SNCR-1喷入的脱硝效果相较于原始工况得到显著地提升，尤其位于中心位置的喷嘴处，随射流喷射进入的氨水与烟气中的NO发生了充分的还原反应，工况2的低NO区域最大，脱硝效果最为明显。

图6 SNCR-2平面NO体积分数分布云图

在图7中的SNCR-3平面，2工况中的大部分喷入的氨水已经完成了脱硝，与烟气中的NO发生了还原反应而消耗掉，进入第二烟道的烟气中的NO含量已经较低，SNCR脱硝的目的基本达到。

图7 SNCR-3平面NO体积分数分布云图

工况2的脱硝效率达到55.1%，高于其他两个工况。结合以上对比分析说明，2工况的脱硝效果最为理想，因此在设计SNCR喷嘴位置时，可以考虑在保证温度窗口合适的情况下，尽量靠近第一烟道下部布置SNCR喷嘴，以此达到较优的脱硝效果。

2.4 喷射速度的影响

仍然在氨水总流量(0.011 66 kg/s)一定的条件下，通过改变SNCR喷嘴速度模拟不同喷射速度条件下的SNCR脱硝效果，寻找最合适的SNCR喷嘴喷射速度，来达到较理想的脱硝效率，具体工况见表2中的0、3、4、5和6工况。

图8为各工况第一烟道NO体积分数分布云图。从NO的分布来看，SNCR喷嘴喷射速度的变化并未对第一烟道NO的体积分数产生较明显的影响，但在某些局部还是引起了一些细微的改变。工况6的喷射速度最大，意味着压缩空气的流量较大，因此射流强度较大，氨水液滴与烟气的换热更加迅速，因而蒸发速率较快。并且由于流速大，与烟气混合效果更加明显，所以其后墙有较大的低NO体积分数区域。

从左至右依次为3、4、0、5、6工况。图8 不同喷射速度下各工况第一烟道NO体积分数分布云图

在模拟的速度改变范围内的各工况，脱硝效率变化较小，原始喷射速度工况的脱硝效果为相对最佳，达到51.7%，此工况的喷射速度可以作为比较适合的SNCR设计参考，如图9所示。

从左至右依次为3、4、0、5、6工况。图9 脱硝效率随喷嘴速度变化关系

2.5 分层喷射比例的影响

对3层SNCR喷嘴全开启的模型进行不同分层喷射比例研究，力图找到最合适的分层喷射比例，使得脱硝效率达到最佳。具体工况见表2中的0、7、8、9和10工况，喷射速度均为13.8 m/s，总流量保持不变为0.011 66 kg/s。

第一烟道下部布置的SNCR喷嘴喷射的氨水还原反应效率较高，因而将按照上述5个SNCR配比工况来研究各种不同分层喷射配比下焚烧炉的脱硝效果如何。

各工况第一烟道的NO体积分数分布如图10所示。随着SNCR-1喷嘴流量占比的增加第一烟道整体NO体积分数水平大幅下降，7工况第一烟道上半部分出现大范围的低NO体积分数区域，脱硝效果十分显著。

从左至右依次为7、8、0、9、10工况。图10 不同分层喷射比例下各工况第一烟道NO体积分数分布云图

从图11—13可以看出，各层SNCR喷嘴所在平面的NO体积分数分布也显示了相同的趋势，即随着SNCR-1喷嘴流量占比的增加，NO的脱除效果越明显。从图11可以看出，脱硝效率随着SNCR-1喷嘴流量占比的增加有着明显的上升趋势。7工况尾部烟道出口的NO质量浓度值为127.6 mg/m3，脱硝效率达到了53.3%。脱硝效率随SNCR-1占比的变化关系如图14所示。

从左至右依次为7、8、0、9、10工况。图11 SNCR-1平面NO体积分数分布云图

从左至右依次为7、8、0、9、10工况。图12 SNCR-2平面NO体积分数分布云图

从左至右依次为7、8、0、9、10工况。图13 SNCR-3平面NO体积分数分布云图

从左至右依次为10、9、0、8、7工况。图14 脱硝效率随SNCR-1占比的变化关系云图

因而，在还原剂总流量一定的情况下，增加下层SNCR喷嘴流量，有利于SNCR脱硝效率的提高，6∶3∶1的配比可供SNCR的设计参考。

3 结束语

在焚烧炉MCR工况下，分别对喷嘴位置、喷射速度以及分层喷射比例对SNCR的脱硝效果影响进行模拟研究，得出如下结论。

a) 从第一烟道下部SNCR喷嘴喷入的还原剂可以与烟气进行充分的混合，还原反应较为充分，NO的脱除效果较好；而靠近第一烟道上部喷射的氨水会在烟气流的带动下流入第二烟道，发生漏氨现象。

b) 在还原剂总流量一定的情况下，增加下层SNCR喷嘴流量，有利于SNCR脱硝效率的提高，6∶3∶1的配比使得垃圾焚烧炉脱硝效率达到53.3%，可供SNCR的设计参考。

c) 原始喷射速度(13.8 m/s)工况的混流效果较好，还原剂反应较为充分，脱硝率达到51.7%，此工况的喷射速度可以作为比较适合的SNCR设计参考。

[1] 梁增英.城市生活垃圾焚烧炉SNCR脱硝技术研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[2] 李茂东，杨波，王小聪，等.SNCR还原剂对垃圾焚烧炉热效率的影响[J].广东电力，2016，29(5)：1-7.

LI Maodong, YANG Bo,WANG Xiaocong, et al.Influence of SNCR Reducing Agent on Heat Efficiency of Garbage Incinerator [J].Guangdong Electric Pawer,2016，29(5)：1-7.

[3] VAN CANEGHEM J, DE GREEF J, BLOCK C, et al.NOxReduction in Waste Incinerators by Selective Catalytic Reduction (SCR) Instead of Selective Non-catalytic Reduction (SNCR) Compared from a Life Cycle Perspective：A Case Study [J].Journal of Cleaner Production, 2016, 112：4452-4460.

[4] 刘丽梅，韩斌桥，韩正华.燃煤锅炉SNCR脱硝系统常见问题及对策[J].热力发电，2010，39(6)：65-67.

LIU Limei, HAN Binqiao, HAN Zhenghua.Freguently Asked Questions in SNCR Denitrification System of Coal-fired Boiler and Countermeasures [J].Thermal Power Generation,2010，39(6)：65-67.

[5] 周国民，唐建成，胡振广，等.燃煤锅炉SNCR脱硝技术应用研究[J].电站系统工程，2010，26(1)：18-21.

ZHOU Guomin, TANG Jiancheng, HU Zhenguang,et al.Application Research on SNCR Denitrification Techonology of Coal-fired Boiler [J].Power System Engineering,2010，26(1)：18-21.

[6] MØLLER J, MUNK B, CRILLESEN K, et al.Life Cycle Assessment of Selective Non-catalytic Reduction (SNCR) of Nitrous Oxides in a Full-scale Municipal Solid Waste Incinerator [J].Waste Management, 2011, 31(6)：1184-1193.

[7] LIANG Z, MA X.Mathematical Modeling of MSW Combustion and SNCR in a Full-scale Municipal Incinerator and Effects of Grate Speed and Oxygen-enriched Atmospheres on Operating Conditions[J].Waste Management, 2010, 30(12)：2520-2529.

[8] LIANG Z, MA X，LIN H, et al.The Energy Consumption and Environmental Impacts of SCR Technology in China[J].Applied Energy, 2011, 88(4)：1120-1129.

[9] 段传和，夏怀祥，谷小兵.燃煤电站SNCR脱硝系统喷射还原剂介质对锅炉效率的影响[J].电力科技与环保，2012, 28(1)：55-57.

DUAN Chuanhe, XIA Huaixiang, GU Xiaobing.Influence of Injected Reductont of SNCR Denitrification System of Coal-fired Power Plant on Boiler Efficiency[J].Electric Power Environment Protection，2012, 28(1)：55-57.

[10] 林有胜，马晓茜，黄阔，等.燃煤工业锅炉SNCR脱硝系统热平衡分析[J].工业加热，2013(3)：29-32.

LIN Yousheng, MA Xiaoqian,HUANG Kuo,et al.Heat Balance Analysis for SNCR Denitrification System of Coal-fired Industrial Boiler[J].Industrial Heating,2013(3)：29-32.[11] XU M, AZEVEDO J, CARVALHO M.Modelling of the Combustion Process and NOxEmission in a Utility Boiler[J].Fuel, 2000.79(13)：1611-1619.

[12] LIN Hai, MA Xiaoqian, YU Zhaosheng.Numerical Simulat ion of Large-scale Municipal Solid Waste Incinerator[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2010, 2：128-132.

[13] STOPFORD P J.Recent Applications of CFD Modelling in the Power Generation and Combustion Industries[J].Applied Mathematical Modelling, 2002, 26(2)：351-374.

[14] YANG B, LI M D, NI J F, et al.The Numerical Simulation Research on the Combustion Characteristics of Waste Incinerator Under Variable Load[C]//ICSD2015, Sustainable Development, Wuhan[s.n.], China, 2015.

(编辑 查黎)

Optimization on SNCR Denitration System in Municipal Waste Incinerators

CHEN Zhigang, HUANG Qiaoxian, YANG Bo, LI Maodong, HUANG Guojia, CAO Liying

(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 510100, China)

This paper uses computational fluid dynamics simulation software FLUENT to study numerical simulation and optimization on selective non-catalytic reduction (SNCR) system in municipal waste incinerators under different working conditions.Results indicate that reductant from the lower SNCR injection nozzle is fully mixed with flue gas which means better denitration effect, in the case of constant total flow of reductant, an increase of flow in the lower SNCR injection nozzle is useful to improve SNCR denitration efficiency and matching of 6:3:1 makes denitration efficiency of the waste incinerator reach 53.3%.In addition, compared to other ejection velocity, mixed flow effect of the original ejection velocity condition is better and denitration efficiency is 51.7%.

waste incinerator; selective non-catalytic reduction; optimization

2016-04-27

2016-07-21

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目(2015 QK268)；广州市科技计划项目(201604020022)。

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.11.003

X701

A

1007-290X(2016)11-0012-06

陈志刚(1964)，男，广东广州人。高级工程师，工学硕士，主要研究方向为特种承压设备的安全节能。

黄巧贤(1967)，女，广东佛山人。工程师，工学学士，主要研究方向为特种承压设备的安全节能。

杨波(1983)，男，湖南益阳人。高级工程师，工学博士，主要研究方向为特种承压设备的系统性风险。