垃圾焚烧炉SNCR脱硝反应条件的模拟研究

2020-07-31李海波

天津科技 2020年7期

李海波，柴彬

(天津渤海环保工程有限公司天津300300)

在烟气处理工程实践中，因选择性非催化还原(简称 SNCR)脱硝技术具备投资少、建设周期短等优势，被广泛应用于生活垃圾焚烧领域。SNCR脱硝技术的脱硝效率在实验研究与工程应用方面差异较大，实验研究过程中，还原剂与氮氧化物可以充分反应，能够实现的脱硝效率为60%～70%，甚至70%以上，但是在工程实际运行中，SNCR的脱硝效率[1]只能达到40%～60%。SNCR脱硝反应主要包括还原剂蒸发过程与化学反应过程[2]，Jenkins等[3]通过研究 SNCR脱硝技术中还原剂的喷射轨迹已能够模拟 SNCR脱硝还原剂蒸发过程；固体生活垃圾在燃烧过程中，焚烧炉内会进行剧烈而复杂的化学反应流动过程，这使得还原剂的反应过程具有很强的不确定性。因此，优化脱硝反应的化学反应条件是提高 SNCR脱硝效率的重要方向。

本文运用流体动力学模拟软件 ANSYS Fluent(14.0)对 500t/d垃圾焚烧炉 SNCR脱硝过程进行数值模拟，建立焚烧炉内脱硝过程中运用的数学模型，从理论模型角度分析脱硝实验过程的网格划分和边界条件，对焚烧炉内 SNCR脱硝反应条件进行模拟分析，考察反应温度、氨氮摩尔比、NO 初始浓度、氧气浓度以及停留时间等反应条件对 SNCR技术的脱硝效率和氨逃逸的影响情况。

1 模拟条件

1.1 网格划分和边界条件

SNCR技术应用所需的温度场、组分场及流场主要分布在垃圾焚烧炉上炉膛[2]。本文通过模拟计算脱硝反应过程的各个因素，考察这些因素对 SNCR技术的脱硝效率和氨逃逸的影响情况。垃圾焚烧炉的物理模型如图 1所示，在不影响计算速度的情况下，适当提高网格质量和密度，采用结构化的四面体网格布置，对炉排移动方向、二次风入口和流场运动方向等区域进行局部网格优化和加密，以确保对物性参数变化较大区域的模拟精度。为减少计算工作量，更准确地将 SNCR反应过程各参数变化情况模拟出来，本文在三维物理模型上截取二次风入口以上部分作为 SNCR模拟的研究区域。图 1焚烧炉中心纵截面的网格示意图方框所截取部分为 SNCR模拟区域，在计算过程中，计算区域的起始点取炉膛高度 8m处，截止于炉膛高度为 17m 的烟气排放口，这样截取可以大为减少网格数量，节省模拟计算时间。

图1 垃圾焚烧炉三维物理模型与网格划分Fig.1 3D physical model and mesh division of waste incinerator

在 SNCR模拟计算过程中，采用天津市某垃圾焚烧厂日处理能力为 500t/d机械炉排生活垃圾焚烧炉8m水平截面处的气体温度、速度矢量和气相组分分布情况作为边界条件，入口仍然使用速度边界条件，烟气出口使用压力边界条件，其中气相组分只考虑焚烧烟气中的 O2、CO2、N2、NO 和 H2O，不考虑其他影响较小的组分。焚烧炉入口边界处烟气中各气体浓度如表1所示。

表1 边界入口处烟气中各气体浓度Tab.1 Concentration of each gas in flue gas at boundary inlet

其余计算条件参数分别为：氨氮摩尔比 1.5、喷枪标高为 13m、还原剂喷射速度为 45m/s、雾化粒径150μm、雾化角度40°。按照前墙布置4个喷枪，后墙布置4个喷枪，左墙布置2个喷枪，右墙布置2个喷枪的排布下喷射。

1.2 焚烧炉内SNCR脱硝过程数学模型

SNCR脱硝模拟过程中使用的湍流模型、辐射换热模型使用标准k-ε双方程模型和P-1辐射模型，其中湍流模型应使用漩涡耗散化学反应模型，还原剂在气相的喷射流动分别采用离散相模型和组分运输模型，压力-速度耦合方程使用SIMPLE算法解出，气相中各组分和还原剂的离散为二阶迎风模式。其中脱硝效率按照入口与出口处氮氧化物浓度的差值和入口处氮氧化物的浓度百分比，氨逃逸标准一般按照垃圾焚烧厂实际运行标准，不应超过4.5mg/mL。

2 模拟结果分析

2.1 温度的影响

SNCR脱硝反应中，温度窗口的大致范围是850～1000℃[4]，通过模拟计算焚烧炉内温度对脱硝效率以及氨气逃逸量的影响情况，选取最合适的反应温度，模拟结果如图2所示。

图2 温度对脱硝率和氨逃逸的影响Fig.2 Effect of temperature on denitration rate and ammonia escape

在图 2中，横坐标表示温度值，左纵坐标表示脱硝效率，右纵坐标表示氨气逃逸量。从图中可以看出，温度与脱硝效率以及氨气逃逸量之间存在一定的相关性。在温度低于 920℃范围内，脱硝效率与温度呈正相关关系；当温度超过 920℃，脱硝效率与温度呈负相关关系。而氨气逃逸量随着温度上升在不断地下降，直至温度上升到接近 1000℃，氨气逃逸量接近1mg/mL以下。这是由于在氧气充足的条件下，炉膛中喷入的还原剂 NH3既能和 NO发生反应，也可能被氧气氧化。随着炉膛内温度的升高，过高的能量使得氧化反应的反应活化因子增加，NH3还原 NO的反应速率增加，同时还原剂被氧气氧化的速率也迅速升高，当温度升高到一定值还原剂被氧化速率超过了还原剂还原 NO的速率，NO的浓度开始上升，并随着温度的升高而不断地升高，因此在温度低于920℃范围内，以还原反应为主导；在温度超过920℃，还原反应饱和，氨与氧气的反应程度逐渐提高。这与 Hatamipour等[5]分析计算的焚烧炉内烟气温度与脱硝效率的结论一致。其中氨气逃逸量数值模拟结果在趋势上与中试实验数据较为吻合，其绝对值与实际试验锅炉实测值比较接近，可见利用流体力学软件模拟对于实际设备的 SNCR氨逃逸预测是较为准确的。

2.2 氨氮摩尔比的影响

氨氮摩尔比(氨氮比，NSR)指脱硝过程中氨氮当量的比值，是影响脱硝效率的主要因素之一。不少学者的研究显示，氨氮比过小或过大都会对脱硝效率产生影响[6]。因此，模拟计算还原反应中不同氨氮比对脱硝效率以及氨气逃逸量的影响情况，具有很大的实际意义。图3是不同氨氮比与脱硝效率的关系曲线。

图3 NSR对脱硝率和氨逃逸的影响Fig.3 Effect of NSR on denitration rate and ammonia escape

从图3可以看出，氨氮比与脱硝效率呈现正相关关系，随着氨氮比的比值增加，脱硝效率在不断提高。但氨氮比在 0.8～1.6的范围内，曲线的变化幅度较大；在 1.6～2.0范围内，曲线的变化幅度趋于平缓。在特定温度下，氨氮摩尔比提高会导致还原剂用量增加，未反应的还原剂随之增多，导致氨逃逸量的增加。因此，需要控制氨氮摩尔比在合理的范围内。随着氨氮比的不断上升，氨气逃逸量在逐渐增加，而且增加的幅度在不断上升。由此可见，虽然氨氮比的增加能够提高脱硝效率，但是也增加了氨气逃逸量的浓度，增加运行费用，而且随着氨氮比值的上升，脱硝效率的增加幅度要小于氨气逃逸量的增加幅度。Ruiz-Lopez等[7]以一台实际运行的垃圾焚烧炉为物理模型，计算了氨氮摩尔比对脱硝效率的影响。实验结果表明，脱硝率随着氨氮摩尔比的增加而增加，氨氮摩尔比在超过 1.8以后，氨逃逸明显增加，根据不同的焚烧炉尺寸，氨氮比在1.4～1.7之间是较为合理的脱硝反应配比。综合以上因素，本文认为并非氨氮比越大越好，SNCR脱硝的较为合适氨氮比为1.6。

2.3 NO初始浓度的影响

关于 NO初始浓度对 SNCR脱硝效果的影响程度，学者们的研究不尽相同。本文的模拟计算中，设定 NO初始浓度的范围从 100～400mg/mL中选取4组数据来研究 NO初始浓度对脱硝效率以及氨气逃逸量的影响情况。模拟结果如图4所示。

图4 氮氧化物对脱硝率和氨逃逸的影响Fig.4 Effect of nitrogen oxides on denitration rate and ammonia escape

NO初始浓度从 100mg/mL升高到 300mg/mL时，NO初始浓度与脱硝效率之间呈现正相关关系，脱硝效率随着NO初始浓度的上升而提高，出口NO浓度也随着NO初始浓度的上升而提高，但其上升幅度要小于脱硝效率随着 NO初始浓度上升的幅度。NO初始浓度从300mg/mL升高到400mg/mL时，脱硝效率随着NO初始浓度的上升而下降，出口NO浓度也随着 NO初始浓度的上升而下降，但变化不大。Muzio等[8]的研究表明，保持其他变量不变，NO初始浓度小于400mg/mL时，NO初始浓度与脱硝效果之间无相关性；但是 Robin等[9]的研究却发现随着 NO初始浓度下降到 175mg/mL时，脱硝效率也随之下降。这是因为在保持氨氮比不变情况下，脱硝反应达到化学平衡的最低排放 NO浓度并不会随着 NO初始浓度的变化而变化。

2.4 氧气浓度的影响

从 SNCR脱硝反应的化学机理可知，O2浓度是脱硝反应中的重要元素。不同学者对 O2浓度在脱硝反应中的影响程度进行了研究。Lyon[10]的实验研究结果表明，在缺氧的条件下，SNCR脱硝反应不会发生，但氧气浓度过高会降低脱硝效率。

本文的模拟计算中，设定O2浓度的范围从2%～10%来研究 O2浓度对脱硝效率以及氨气逃逸量的影响情况，模拟结果见图 5。可以看出，O2浓度与脱硝效果以及氨气逃逸量之间存在负相关性，随着 O2浓度的不断上升，脱硝效果在逐渐下降，氨气逃逸量在逐渐降低。O2浓度在2%～6%范围内，脱硝效果和氨气逃逸量变化都不大。因为 SNCR脱硝反应是由还原与氧化2种反应协同作用的化学反应过程，氧气浓度的增加，并不是单纯促进单一反应进行，而是促进氧化反应与还原反应同时进行，而且在反应的同时，温度窗口随着上述反应的进行开始有所下降，进而氧浓度的增加促使氧化反应的强度大于还原反应，从而导致脱硝效率下降。但从图 5分析可知，烟气中氧气浓度对NO的还原影响很小，说明还原剂的脱硝系统对 NO 的还原具有很强的选择性。Kasuya等[11]的研究进一步证明了 Lyon的研究，并进一步发现氧浓度的上升会促使反应温度下降，进而降低脱硝效率，但该影响效果较小。因此，可认为实际过程中烟气中氧气浓度对SNCR脱硝效率影响不大。

图5 氧气浓度对脱硝率和氨逃逸的影响Fig.5 Effect of oxygen concentration on denitration rate and ammonia escape

2.5 停留时间的影响

停留时间是 SNCR脱硝反应充分进行的关键因素。图6是停留时间从0.1～1s时对脱硝效率以及氨气逃逸量的影响情况。

图6 停留时间对脱硝率和氨逃逸的影响Fig.6 Effect of retention time on denitration rate and ammonia escape

从图6可以看出停留时间与SNCR脱硝效果之间的非线性关系：随着停留时间的增加，脱硝效果随之增加；但当停留时间达到0.4s左右，脱硝效果的增速开始变得平缓且不明显。这是因为 SNCR脱硝反应中的氧化反应和自身还原反应趋于饱和，使其效果变得不明显。在实际工程中，喷枪喷入的还原剂需要充足的反应时间以及还原剂的升温过程蒸发与分解过程，都需要足够的时间[4-7]。因此，还原剂在垃圾焚烧炉膛内停留足够的时间才能保证理想的脱硝效率。