PDF《水泥分解炉 SNCR 脱硝的数值模拟研究》

? 文章编号:1007 ? 6735(2019)01 ?

0014 ?

08 DOI: 10.

13255/j.cnki.jusst.2019.01.003 水泥分解炉 SNCR 脱硝的数值模拟研究 张乐宇

1 ,????张忠孝

1 ,????陈立新

2 ,????付艳辉

2 (1.?上海理工大学?环境与建筑学院,上海?200093;

2.?北京汉能清源科技有限公司,北京?100071) 摘要:选取吉林某 3?200?t/d 新型干法水泥生产线为研究对象,使用 Ansys-Fluent 软件进行仿真数 值模拟,在得到分解炉内部热态规律的基础上,探究影响喷氨脱硝效果的因素.实验分别研究了 喷氨高度、喷氨速度、喷氨角度、氨氮比、氨水雾化粒径、喷氨深度、喷口数量各因素对脱硝效 果的影响.结果表明:优化后的喷氨高度为 42?m,喷氨速度为 80?m/s,喷氨角度为 0°,氨氮比 为1.8,氨水雾化粒径为 100?μm,喷氨深度为 750?mm,喷口数量为

4 个,沿圆周呈 90°均匀分 布.在此优化工况条件下,可以达到 76.89% 的脱硝效率. 关键词:分解炉;

选择性非催化还原(SNCR);

脱硝;

数值模拟 中图分类号:TK?175?文献标志码:A Numerical Simulation of SNCR Denitration in Cement Precalciners ZHANG Leyu

1 , ZHANG Zhongxiao

1 , CHEN Lixin

2 , FU Yanhui

2 (1. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;

2. Beijing Hinergy Technology Co., Ltd., Beijing 100071, China) Abstract: A?3?200?t/d?new?type?of?dry-process?cement?production?line?in?Jilin?was?chosen?as?the?research object.?The?simulation?was?carried?out?by?using?Ansys-Fluent?software.?Based?on?the?thermal?law?inside the?precalciner,?the?factors?influencing?ammonia?denitrification?were?explored.?The?effects?of?ammonia injection?height,?ammonia?injection?rate,?ammonia?injection?angle,?ammonia?nitrogen?ratio,?ammonia water?atomization?particle?size,?ammonia?injection?depth?and?nozzle?number?on?the?out-of-stock?effect were?studied.?The?experimental?results?show?that?the?optimized?ammonia?injection?height?is?42?m,?the ammonia?injection?rate?is?80?m/s,?the?ammonia?injection?angle?is?0°,?the?ammonia?nitrogen?ratio?is?1.8 and?the?ammonia?water?atomizing?particle?size?is?100?μm,?the?ammonia?injection?depth?is?750?mm,?the number?of?nozzle?is?4,?evenly?distributed?along?the?circumference?of?90°.?Under?this?optimized?working conditions,?it?can?achieve?the?denitrification?efficiency?of?76.89%. Keywords: precalciner;

selective non-catalytic reduction (SNCR);

denitrification;

numerical simulation ? 上 ?海 ?理 ?工 ?大 ?学 ?学 ?报 第?41?卷?????第?1?期J.?University?of?Shanghai?for?Science?and?Technology Vol.?41????No.?1????2019 收稿日期:2018?01?15 基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFB0601503) 第一作者:张乐宇(1992C),男,硕士研究生.研究方向:脱硝数值模拟研究.E-mail:no.1007@163.com 通信作者:张忠孝(1959C),男,教授.研究方向:燃煤污染物减排技术.E-mail:zhzhx222@163.com 我国水泥年产量已达

24 亿t,占世界水泥产 量的 55%,其生产过程需要消耗标准煤 2.6 亿t和电2?000 亿kW・h.水泥生产会导致大气污染物的 大量排放,带来严重的环境污染问题,其中氮氧 化物(NOx)的排放占全国排放量的 8%~10%,仅 次于火力发电和汽车尾气.NOx 是形成酸雨、光 化学烟雾的主要物质之一,也是形成灰霾的主要 前体物和重要的大气污染物.我国《 十三五 生 态环境保护规划》中指出,水泥等重污染行业应 大力推进清洁能源的使用,大幅削减 NOx 等大气 污染物的排放 [1] . 对于水泥生产线而言,脱硝较常采用选择性 催化还原(selective?catalytic?reduction,SCR)和选择 性非催化还原(selective ?non-catalytic ?reduction, SNCR) [2] .由于 SCR 所使用的催化剂较易中毒, 生产成本高[3] , 因此大部分水泥生产线采用SNCR 脱硝技术.本文采用数值模拟方法,分析影 响SNCR 脱硝效率的因素,并与生产线实际运行 的脱硝效率进行对比,在得到各因素对脱硝效率 影响的基础上,选取各因素最佳运行条件,得到 优化后的运行工况,较为显著地提高了 SNCR 运 行效率,为水泥生产线 SNCR 脱硝工艺的运行优 化提供了参考.

1 分解炉概述和数值模拟方法 1.1 分解炉结构及网格划分 分解炉炉型为第三代 TTF 型,具有两缩口、 三喷腾特性,其立式剖面图如图 1(a)所示. 依据分解炉实际尺寸,利用 Gambit 软件建立 三维模型,如图 1(b)所示.煤粉燃烧器分两层布 置,每层对称布置

2 个,共布置

4 个;

三次风管 位于炉体第一段主体起始位置处,呈对冲分布;

水泥生料下料口位于炉体第二段主体靠近缩口 处,水泥生料撒料箱位于炉体第一段主体与主燃 区煤粉燃烧器所在高度持平.最下方为烟气进 口,最上方为总出口,分解炉总体布局为九进口 一出口. 根据炉型特征,将模型主体按照两缩口、三 喷腾的设计划分为

6 个区域,每个区域均以结构 网格为主、非结构网格为辅的原则划分网格,在 煤粉燃烧器喷口、烟气进口及三次风管进口附近 采用局部网格加密处理.经Fluent 软件检测,网 格总数约为

106 万,数量适中,满足计算要求. 网格划分如图 1(c)所示. ? ? ? 图1TTF 型分解炉物理模型及网格划分 Fig.1 Physical model of TTF precalciner and its meshing ? 第?1?期 张乐宇,等:水泥分解炉 SNCR 脱硝的数值模拟研究

15 1.2 分解炉设计参数及边界条件 ? ? ? 表1分解炉设计参数 Tab.1 Design parameters of precalciner 分解炉 型号 产能/ (t・d C1 ) 耗煤量/ (t・h C1 ) 炉体 内径/mm 气体停留 时间/s 炉内平均 温度/℃ TTF 3?800

11 5?800 5.7

880 ? ? ? ? 表2实验工况 Tab.2 Experimental conditions 参数 温度/℃ 质量流量/(kg・s C1 ) 烟气进口 1?070 27.68 三次风进口

830 22.66 燃烧器进口

70 4 个进口均为 0.775 生料进口

780 上层 15.7 下层 62.8 总出口

800 131.94 ? ? 1.3 数值模拟方法 a.?气相湍流流动模型选择可实现 k-ε 模型. b.?组分输运模型中煤粉与 CaCO3 均采用有限 速率/涡耗散模型.煤粉燃烧分为两步反应,先生 成CO, 再生成CO2, 反应式为?2C+O2=2CO, 2CO+O2=2CO2.CaCO3 分解为一步反应,反应式 为?CaCO3=CaO+CO2. c.? 气固两相流选择随机颗粒轨道模型(DPM),跟踪 11?200 个煤粉颗粒轨迹. d.?辐射传热模型选用离散坐标(DO)模型,使 用加权总和灰色气体模型(WSGGM)来计算气相的 吸收系数. e.?在煤粉燃烧中,NOx 根据形成原理不同可分 为:热力型 NOx、燃料型 NOx、快速型 NOx [4] .热 力型 NOx 是由氮气在分解炉内的高温下被氧化形 成,同时包含回转窑输入分解炉的底部进口烟气 中的热力型 NOx 含量;

燃料型 NOx 是由燃料氮氧 化形成;

快速型 NOx 是在火焰前锋面的快速反应 中形成.一般煤粉燃烧过程中快速型NOx 占NOx 总量的比例很小,可以忽略不计,因此只考 虑热力型 NOx 及燃料型 NOx [5] . 采用 NH3 作为还原剂时,在温度窗口 900~ 1?100℃ 内,NH3 还原 NOx 的反应机理为 ?4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O ?4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O 当反应温度超过温度窗口时,副反应开始占据主 导地位:4NH3+5O2→4NO+6H2O,因此选取合适 的位置使其温度在反应温度窗口内至关重要. SNCR 脱硝模型........