尿素溶液烟道直喷系统热解特性的数值研究.pdf

第15卷第1期沈阳工程学院学报（自然科学版）Vol.15No.12019年1月JournalofShenyangInstituteofEngineering（NaturalScience）Jan.2019DOI：10.13888/j.cnki.jsie（ns）.2019.01.009尿素溶液烟道直喷系统热解特性的数值研究马瑞，杨硕，高宇，王国峰（沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳110136）摘要：为了研究尿素溶液烟道直喷热解技术的可行性，采用数值模拟的方法对某脱硝烟道系统的流场进行数值计算与分析。结果表明，温度、反应时间、烟道长度是影响尿素溶液热解的关键参数。随着温度的升高，尿素溶液分解较为完全，烟气温度的提升对尿素溶液热解起促进作用，在工程应用中烟气温度需大于350℃，烟道长度大于40m。尿素溶液液滴平均粒径对尿素热解影响较小，当液滴粒径小于0.1mm时，随着粒径尺寸的增加，尿素溶液在烟道内的反应时间会相应延长。关键词：尿素溶液；SCR；烟道直喷中图分类号：X773文献标识码：A文章编号：1673-1603（2019）01-0040-04NO是电站锅炉排放的污染物之一，会随着大x1SCR技术中尿素热解制氨系统及气流动，以酸雨的形式降落到地面，其危害程度要原理比硫酸型酸雨更强[1-3]。因此，各大电厂通过脱硝装置对烟气中的NO进行处理，以达到减少污染的目x常规尿素热解制氨系统流程如图1所示。以的。目前，主要的脱硝方法有低氮燃烧技术、SNCR空气为载体，通过电加热器加热，将空气加热至（SelectiveNon-CatalyticReduction）和SCR（Selec-600℃，与雾化后的尿素溶液在热解炉内混合热tiveCatalyticReduction）。其中，SNCR和SCR是通解，产生的NH供SCR系统使用。此系统流程简3过氨基与NO反应生成N和HO[4-5]，常用的氨基有单，但存在以下缺点：x22氨水、液氨和尿素。以尿素作为氨基的方法应用比较广泛，主要是其具有易存储、易制备、易运输等特点。尿素制氨途径又有水解法和热解法，热解法是利用高温气体加热尿素溶液，使其受热分解并生成以氨气为主的气体，供脱硝系统使用。与水解法相比，热解法的制备系统简单、安全性高、启停迅速，这些特点使其在SCR技术中得到了广泛的应用[6-8]。图1常规尿素热解制氨SCR系统流程收稿日期：2018-07-16作者简介：马瑞（1985-），男（满族），辽宁兴城人，工程师，硕士。第1期马瑞，等：尿素溶液烟道直喷系统热解特性的数值研究·41·1）电加热器能耗高；道模型尺寸为1m´1m´50m，以圆柱体替代现场2）电加热器需要具备很宽的调节比；烟道内的导流板，模拟烟道内部扰流。喷嘴布置位3）热解炉底部管道易积灰结块。置为距入口0.5m处，第一个圆柱距离喷嘴1m。随着SCR技术的发展，国内环保公司提出尿素烟气及尿素溶液参数如表1所示。溶液烟道直喷热解技术，解决了常规尿素热解制氨技术的高能耗问题，其SCR技术流程如图2所示。尿素溶液通过喷枪雾化直接喷入烟道，利用烟气热量分解尿素溶液，制取NH。该系统更加简单，安3全性高，与锅炉负荷跟随性能好，调节更为灵活，已在电站锅炉上得到成功应用，并取得良好的经济效a烟道简化模型益和运行效果。图2中的h为尿素溶液完全分解所需的流动距离，烟气流过该距离的时间应大于尿素溶液完全分解所需的时间，以保尿素溶液完全分解。证b烟道内部扰流圆柱及溶液喷射位置图3数值模拟几何模型表1边界条件参数名称参数烟气流量/(kg·s-1)7.8烟气温度/℃300～390图2尿素溶液烟道直喷热解制NH系统流程3尿素溶液烟道直喷热解制NH系统虽具有诸尿素溶液流量/(kg·s-1)0.0653尿素溶液浓度/%30多优点，但从设计角度来讲，其技术要求并不是简尿素溶液温度/℃25单地将尿素溶液喷枪置于烟道中，还需要考虑雾化喷嘴喷射角度/°20状态尿素与烟气的混合效果及尿素溶液的热解特液滴平均粒径/mm0.1性，这两点直接关系到系统能否正常运行和热解效图4为尿素溶液颗粒运动轨迹。由图4可以看果的优劣。出，尿素溶液颗粒在0.2s后完全气化分解。尿素溶尿素热解制NH过程的基元反应[9]如下：3液经过扰流圆柱后，在扰流作用下与烟气充分掺CO(NH)→HNCO+NH223HNCO+HO→NH+CO混，对传热有促进作用。232图5为尿素溶液质量分数云图。由图5可以看2尿素溶液热解数值模拟出，尿素质量分数在经过第一个扰流圆柱后降低明根据现场运行及结构参数，建立锅炉尾部烟道显。结合图4，在尿素溶液颗粒未完全气化时尿素简化模型，如图3中的a图所示。图3中的b图为烟已经开始分解，此时可以等同为尿素水解反应，之道内部扰流圆柱及尿素溶液喷射位置示意图。烟后为尿素溶液热解反应。·42·