近年来，京津冀、长三角和珠三角等重点区域雾霾问题严重，“超低排放50355”新标准被提上日程，各行业开始进行脱硝、除尘、脱硫提效改造。原先应用于高浓度NOx循环流化床锅炉上的低氮燃烧技术、SNCR及低氮燃烧+SNCR技术已经不能满足NOx排放值小于50mg/m3的要求，为了控制NOx的排放浓度，必须采用SNCR+SCR联合脱硝技术对NOx进行控制。与单一的SNCR和SCR脱硝相比，该技术具有脱硝效率高、催化剂用量小、SCR反应器体积小、系统阻力小、腐蚀性小、成本适度等优点，故在循环流化床锅炉得到了广泛的应用。流场分布是影响脱硝装置脱硝效率及氨逃逸率、催化剂使用寿命的关键因素之一，因此脱硝工程必须对流场进行优化设计。李竞岌等采用数值模拟方法对循环流化床锅炉SNCR脱硝的喷入点位置、数量及喷射参数进行了优化分析，得出还原剂喷入点布在旋风分离器进口段内侧、喷入点至少四个、增大雾化粒径、增大喷雾锥角有利于增强烟气和还原剂的混合效果。赵永泉等、王岳军等也对循环流化床锅炉的SNCR脱硝流场进行了数值模拟分析研究。目前，大部分研究都仅对单独的SNCR或SCR进行流场优化，关于SNCR+SCR联合脱硝的流场优化研究较少。本文拟采用CFD软件对某75t/h循环流化床锅炉的SNCR+SCR流场进行分析，为其现场设计提供参考依据。
1几何模型及数学模型
某75t/h燃煤型循环流化床锅炉100%BMCR工况下的烟气量为85000m3/h，按照1∶1的比例建立模型，主要包括燃烧床层部分、挂式过热器、2个旋风分离器、省煤器、导流板、整流格栅、催化剂层及SCR脱硝出口烟道下游的空预器部分，如图1所示。
为了简化计算，暂不考虑模型内粉尘颗粒的影响，先选用模型计算得出气相流场，后加入DPM模型及组分输运模型追踪氨水的蒸发过程以及与烟气的混合过程。另外，省煤器、空预器、催化剂层均设置为多孔介质，由于前二者内部涉及热交换，故设置有内热源。
2参数研究
2.1速度分布
优化前烟道中未设置导流板，仅催化剂层上游设置了整流格栅，优化方案在SCR装置进出口烟道弯头处设置了相应的导流板，并在整流格栅上游斜烟道上设置了阻流板，模拟结果如图2～图4所示。图2为旋风分离器入口速度分布俯视图，烟气近切线方向进入分离器，之后沿外侧螺旋向下运动，最后经过分离器的中心内筒流出。
图3为优化前后整个系统的烟气流线图，可看出，由于SCR脱硝上游烟道布置了合理的导流装置，烟气可以更均匀的竖直向下通过催化剂区域。
图4显示了优化前后首层催化剂上游的速度分布，优化前外侧速度过大，最大速度达到12.24m/s，而低速区仅为0～1m/s，高烟速区容易导致催化剂磨损，低烟速区容易导致催化剂积灰，整个截面速度相对标准偏差为20.2%，速度分布均匀性差;优化后断面最大速度降低为4.90m/s，速度分布均匀性得到显著改善，截面速度相对标准偏差为6.2%，远小于15%的脱硝设计标准，有利于减轻催化剂的磨损和积灰。
2.2浓度分布
还原剂喷射点通常布置在旋风分离器的进口水平烟道中，从上到下均匀布置，点数越多越有利于烟气与还原剂的混合，但也会加大工程的复杂程度，一般工程中推荐在单分离器上布设4～5个喷入点。假设喷枪设置在旋风分离器进口水平烟道的外侧，布置4个喷射点，喷射速度为40m/s，平均雾化粒径为90μm，喷雾锥角为60°，模拟结果如图5～图6所示。从图5中可看出，还原剂液滴在旋风分离器进口处全部蒸发，满足工艺设计要求，最大蒸发时间为0.036s，平均蒸发时间为0.032s。
图6显示了分离器入口还原剂的浓度分布，由于喷枪设置在进口烟道外侧，还原剂紧贴分离器外壁流动，而分离器的作用是使烟气向外甩，故抑制了还原剂向中心的扩散，导致外侧浓度远高于其他区域。
模拟结果显示，优化前后首层催化剂上游断面的氨浓度分布均匀性很好，为脱硝反应提供了很好的条件，该处的还原剂NH3来源于上游SNCR脱硝未参与反应的逃逸氨。
统计结果得出优化前后的相对标准偏差分别为0.8%、0.6%(远小于5%的脱硝设计标准)，可见，优化前后催化剂层的浓度分布均匀性变化很小，可以忽略，故对该循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝装置中的SCR部分进行优化时，可以仅对速度场进行优化，而忽略对浓度场的优化。
2.3温度分布
对分离器内温度颁和首层催化剂上游温度分布进行模拟，模拟所得温度分布结果显示，分离器内温度在892～998℃之间，正好处于SNCR反应的温度窗口内。SCR装置内首层催化剂上游断面的温度分布范围为312～339℃，也处于SCR脱硝反应的温度窗口内。
2.4喷入点位置影响
为了研究分离器喷入点位置的影响，现将喷入点布置在分离器进口段内侧，模拟结果如图7所示。与图6相比，还原剂在分离器入口断面的扩散更明显，因为喷入点设在内侧，还原剂气化后，随着烟气向外甩，还原剂由分离器内侧迅速向外侧扩散，使还原剂在分离器中均匀分布。因此，喷入点设置在进口烟道内侧，更有利于加强还原剂与烟气的混合，提高SNCR脱硝效率。
2.5喷射速度的影响
喷入点选在内侧，喷雾锥角为60°、雾化粒径为90μm、喷射速度为40m/s、80m/s、120m/s工况下分离器入口断面的还原剂浓度分布模拟结果如图8所示。从图8可看出，随着喷射速度的增加，还原剂穿透距离加大，更容易扩散到烟气中，分离器入口截面的浓度分布变得更均匀，将有利于提高脱硝效率，因此，在保证其他条件一定的情况下，适当提高喷射速度有利于脱硝反应。
2.6雾化粒径的影响
计算了喷射速度为40m/s、喷射锥角为60°，雾化粒径为50μm、90μm、130μm的分离器入口断面浓度分布如图9所示，可见，随着雾化粒径的增加，还原剂的穿透距离增大，分离器入口断面的浓度分布更均匀。这是因为雾化粒径提高后，单个颗粒的体积增大，气化后产生的气团体积也增大，更容易扩散到烟气中，增强了还原剂与烟气的混合。因此，在其他条件一定的情况下，可以通过适当增大雾化粒径来提高SNCR脱硝效率。
2.7喷雾锥角的影响
图10给出了喷射速度为40m/s、雾化粒径为90μm条件下不同喷雾锥角对分离器入口还原剂浓度分布的影响。当喷雾锥角由30°增大到90°时，还原剂在分离器入口的浓度分布相差不大，这是因为随着喷雾锥角的增加，还原剂的初始扩散面积加大，但是穿透距离也会随之减小，且由于喷射方向与壁面垂直，增大锥角时靠近分离器入口断面内侧的浓度会随之增加，故总体均匀性会略微变差，所以，对该分离器而言，增大喷雾锥角并不能起到正面效果。
3结语
采用CFD软件对某75t/h燃煤型循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝流场进行了数值模拟，比较了SCR部分优化前后的速度分布、浓度分布，并重点研究了SNCR还原剂喷入点的位置、喷射速度、喷雾粒径、喷雾锥角对SNCR脱硝的影响。结果表明:
(1)在SCR脱硝装置烟道中设置合理的导流装置后，首层催化剂入口断面的速度分布有了明显改善，有利于减轻催化剂的磨损和积灰，延长催化剂使用寿命。优化前后SCR部分氨浓度分布均匀性非常好，且相差不大，故进行SCR部分优化时可以仅考虑速度场，而忽略对浓度场的优化。另外，SNCR及SCR的烟气温度都处于各自的反应温度窗口内，有利于脱硝反应。
(2)还原剂喷入点设在进口烟道内侧(较外侧)时，还原剂更容易扩散到烟气中，更有利于加强还原剂与烟气的混合，提高SNCR脱硝效率。
(3)增大喷射速度和雾化粒径，均能增大还原剂的穿透距离，使得分离器入口的浓度分布更均匀，提高脱硝效率。
(4)增大喷雾锥角，分离器入口的浓度分布均匀性略微变差，故针对该装置，增大喷雾锥角对脱硝反应有负面影响。
原标题：循环流化床锅炉SNCR+SCR联合脱硝流场优化研究
