引言我国化石能源丰富，未来一段时间内我国仍将保持以燃煤为主的能源消费结构[1]。氮氧化合物(NOx)是燃煤电厂排放的主要污染物之一，是造成光化学烟雾污染和酸雨的主要原因[2]。针对NOx的危害，我国提出“超低排放”目标[3]，要求在基准氧含量6%的条件下，NOx排放浓度小于50 mg/m3。循环流化床锅炉(CFB)炉内温度较低，炉内生成污染物量比煤粉炉低，对煤种具有高适应性，被各国大力推广[4]。选择性非催化还原技术(SNCR)不需要使用催化剂，具有投资少、设备简单的特点。CFB锅炉运行中旋风分离器的温度为800~900 ℃，与SNCR的反应温度区间基本重合，大型CFB火电厂一般采用在CFB锅炉旋风分离器入口喷氨的方式进行SNCR脱硝，确保NOx排放水平低于国家要求[5]。烟气在分离器中停留较长的时间，有利于氨与烟气良好混合。CFB旋风分离器SNCR脱硝反应过程相对清晰简单，但SNCR装置的设计非常复杂，实际工程应用中，还原剂从有限数量的喷口进入反应区，在旋风分离器内与烟气的流动和混合是影响SNCR脱硝效率的关键因素[6]。某660 MW超临界循环流化床机组燃用低热值煤（石矸石+洗中煤），为了达到超低排放标准在旋风分离器处加装SNCR脱硝设备，有必要在实验室条件下进行SNCR脱硝特性研究，并利用计算流体动力学(CFD)和化学反应过程模拟方法对CFB锅炉旋风分离器的SNCR脱硝反应过程进行数值模拟，分析SNCR脱硝特性规律，为超临界循环流化床锅炉SNCR脱硝和实际运行提供参考。1试验方法SNCR脱硝特性试验在固定床反应器上进行，设备包含反应气瓶、质量流量计、电热炉、石英反应器和烟气分析仪。含量为1%的O2、NO和NH3与N2的混合气瓶作为反应气体，100%纯度的N2气瓶作为保护气。质量流量计能够显示气体流量以控制各个反应气比例，电热炉控制石英反应器的温度，升温阶段的升温速度为600 ℃/h，均匀提高反应器温度，事先配比反应气体进行SNCR脱硝反应，石英反应器出、口处使用烟气分析仪测量气体的体积流量。试验系统结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F001图1试验系统结构试验在常压下进行，含氧量为6%的情况下，分别研究温度(750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃和1 000 ℃)、氨氮摩尔比（1.00∶1.00、1.00∶1.25、1.00∶1.50、1.00∶1.75和1.00∶2.00）对SNCR脱硝反应的影响。SNCR脱硝效率μNO为[7]：μNO=δNO,in-δNO,outδNO,in×100% (1)式中：δNO,in——石英反应器进口处NOx浓度，mg/m3；δNO,out——石英反应器出口处NOx浓度，mg/m3。2模拟构建针对某660 MW循环流化床机组SNCR脱硝进行Fluent软件脱硝模拟研究，因为SNCR设备安装在旋风分离器处，将旋风分离器单独进行构型模拟。旋风分离器结构如图2所示，结构尺寸如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F002图2旋风分离器结构10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.T001表1旋风分离器结构尺寸参数数值本体直径8.5升气管直径4.25排尘口直径1.5升气管深度3.6入口截面高度8.5入口截面宽度3.6总高21.8锥体段高度10.8m将构型好的分离器进行网格自动划分，并进行无关性试验，最终确定划分网格数量约40万。旋风分离器网格划分结果如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F003图3旋风分离器网格划分结果Fluent软件湍流模型包含k-ε模型、RNG模型和RSM模型。旋风分离器中流场方向不断改变，RSM模型不同于其他模型，基于各向异性假设。原奇鑫[8]等研究表明RSM模型可以很好地模拟旋风分离器的实际运行情况。文中采用RSM湍流模型。Fluent软件自带SNCR脱硝反应模块，包含14种组分，分为9个基础化学反应。Fluent软件SNCR脱硝反应模块如表2所示。反应1~反应7是SNCR脱硝机理，反应8、反应9为尿素分解步骤。文中直接调用Fluent软件自带机理模块进行脱硝特性研究。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.T002表2Fluent软件SNCR脱硝反应模块序号化学反应1NH3+NO→N2+H2O+H2NH3+O2→NO+H2O+H3HNCO+M→H+NCO+M4NCO+NO→NO+CO+H5NCO+OH→NO+CO+H6N2O+OH→N2+O2+H7N2O+M→N2+O+M8CO(NH2)2→NH3+HNCO9CO(NH2)2→2NH3+CO2需要先分析旋风分离器中的流场，在此基础上对模型进行简化设置。（1）进口：设置为速度进口，流体流速为18 m/s；（2）出口：设置为自由出流，流出率为1，气流全部从出口流出；（3）壁面：标准壁面函数，无滑移壁面，不会产生摩擦；（4）旋风分离器内忽略固体颗粒对SNCR反应的影响；（5）设置烟气主要组分为N2、CO2、H2O、O2和NO；（6）还原剂喷入质量浓度为15%的氨水，液滴蒸发过程通过DPM模型进行设置，蒸发生成气态NH3。3结果与分析3.1不同条件下温度对SNCR脱硝的影响温度是SNCR脱硝的控制因素。低温条件下，SNCR反应不能进行；温度过高时，NH3会跟O2发生还原反应，降低脱硝效率。合适的反应温度对SNCR反应十分重要。实验室条件下脱硝效率随温度的变化曲线如图4所示。Fluent软件模拟的脱硝效率随温度的变化曲线如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F004图4实验室条件下脱硝效率随温度的变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F005图5Fluent软件模拟的脱硝效率随温度的变化曲线由图4、图5可知，实验室得到的结果和模拟得到的结果趋势一致，但模拟的脱硝效率普遍低于实验室条件下的脱硝效率。因为模拟的对象为大型旋风分离器，还原剂和烟气的混合效果不如实验室条件下的小型实验台，导致脱硝效率较低[9]。模拟结果可以较好反映实际情况。脱硝反应温度在750~1 000 ℃变化时，温度增加，脱硝效率先增加，在950 ℃时达到峰值，继续增加温度，脱硝效率反而减少。温度低于850 ℃或高于950 ℃时，不在反应温度范围时，脱硝效率均较低。750 ℃时实验室条件下和模拟得到的脱硝效率均低于20%。反应温度为850~950 ℃时，SNCR最主要反应[10]为：4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O(2)继续提高反应温度，NH3发生氧化反应：4NH3+3O2=2N2+6H2O(3)4NH3+5O2=4NO+6H2O(4)从750 ℃开始增温，反应(2)为主要反应，温度的提高增加了反应物质的活性，促进SNCR的正向反应。但是温度超过950 ℃时，反应(3)和(4)逐渐占据主导，不断减少还原剂的量，反应(4)又会生成NO，增加氮氧化合物的量。双重作用下，SNCR脱硝效率大幅度降低。脱硝效率≥50%的温度范围为最佳的反应温度。控制反应温度为900~1 000 ℃时，脱硝效率较高。3.2不同条件下NSR对SNCR脱硝的影响NSR是SNCR脱硝过程的重要影响因素。NSR过低时不能提供充足的NH3，导致SNCR反应不够完全，脱硝效率低；NSR过高时，过量的NH3会促进SNCR反应，提高脱硝效率，但是NH3的过量排放会造成后续电厂设备的腐蚀损坏，且NH3具有毒性，可能造成还原剂成本上升，造成经济损失。因此，选择合适的NSR很重要。实验室条件下脱硝效率随NSR的变化曲线如图6所示。Fluent软件模拟的脱硝效率随NSR的变化曲线如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F006图6实验室条件下脱硝效率随NSR的变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F007图7Fluent软件模拟的脱硝效率随NSR的变化曲线由图6、图7可知，脱硝效率随着NSR增加而增加。但是反应温度为750 ℃和800 ℃时，提高NSR只能略微提高脱硝效率，表明温度是控制因素，未达到SNCR的反应温度时，提高NSR对促进SNCR反应的作用很小。温度提高至大于850 ℃时，提高NSR可以有效地提高SNCR脱硝效率。提高NSR可以有效促进反应(2)的正向进行；NSR提高至1.5后，脱硝效率增长率逐渐放缓。因为NH3过度增加会促进反应(3)和反应(4)的正向反应，消耗NH3，同时生成氮氧化合物，不利于SNCR反应。反应过程中，存在NH2+NO生成N2和NH2+NO生成NNH两个互相竞争的链反应，NSR=1.5左右时，竞争反应会达到相对平衡的状态，继续提高NSR，不会大幅度提高SNCR的脱硝效率，参考以往的研究[11-12]，运行中选择NSR=1.5较为合理。3.3氨气逃逸规律NH3是SNCR反应中的还原剂。为了保证SNCR反应能够完全反应，一般会加入过量的还原剂。但是添加过量的还原剂会造成未发生反应的NH3排放。NH3气体具有毒性，并且会对电站锅炉后续的空气预热器等造成低温腐蚀，严重情况会导致电厂停运，造成巨大的经济损失[13]。通过Fluent软件模拟对不同温度下，氨气逃逸情况进行模拟。不同NSR条件下氨气逃逸量随温度的变化曲线如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.02.011.F008图8不同NSR条件下氨气逃逸量随温度的变化曲线由图8可知，NSR升高会促进氨气的逃逸，特别是在低温情况下。750 ℃时，氨气逃逸量高达198 mg/m3。随着温度升高，SNCR反应逐渐加强，氨气逃逸现象得到明显改善。900 ℃时，NSR=1条件下的氨气逃逸量降至9 mg/m3，达到我国国家标准。进一步提升温度后，不同NSR条件下的氨气逃逸量均达到我国国家标准。因为温度提高促进了SNCR反应，消耗氨气，在温度达到950 ℃时，反应(2)、反应(3)和反应(4)均得到促进，大量消耗氨气，导致氨气逃逸量满足我国国家标准。反应温度超过950 ℃时，NSR在1~2之间均可以达到国家标准，与电厂运行数据相符[14-15]，表明Fluent软件数值模拟可以很好地预测氨气逃逸量。4结语SNCR反应具有良好的经济性，特别适用于循环流化床锅炉机组。通过实验室SNCR脱硝规律试验和针对某660 MW超临界循环流化床机组SNCR数值模拟研究，揭示了SNCR反应的特性规律。得出以下结论：（1）Fluent软件数值模拟得到的SNCR特性规律与实验室条件下得到的趋势相同，但还原剂与气体的混合导致模拟得到的脱硝效率偏低，Fluent软件数值模拟可以指导实际电厂的SNCR脱硝运行。（2）温度是SNCR的控制条件，反应温度为900~1 000 ℃时，脱硝效率≥50%。（3）NSR是影响SNCR脱硝效率的重要因素。低温条件下，提高NSR对脱硝效率的影响不大，温度在反应范围内时，提高NSR可以有效促进SNCR反应，但是NSR过高会放缓脱硝效率的增加。NSR=1.5左右比例比较适合。（4）确保氨气逃逸量满足国家标准是SNCR反应的重要指标。低温时，NSR的提高会大幅度提高氨气逃逸量，随着温度提高，SNCR反应持续加强，氨气逃逸量逐渐减小。反应温度达到950 ℃后，NSR在1~2的比例范围内，氨气逃逸量均可以满足我国国家标准(≤10 mg/m3)。