引言随着我国经济的快速发展和生活水平的逐渐提高，人们对环境质量的要求越来越高。火力发电厂作为污染物排放大户，面临着越来越大的环保压力。2014年起，我国的煤电行业率先开始推进SO2不超过35 mg/m3、NOx不超过50 mg/m3、烟尘不超过5 mg/m3的国家超低排放改造计划[1-2]。选择性非催化还原（SNCR）是指在无催化剂的作用下，在一定的“温度窗口”范围，向系统内喷入还原剂将烟气中的NOx还原为无害的氮气和水[3]。这种方法的脱硝效率主要取决于初始时的NOx、氧气和二氧化碳含量、反应时的温度、还原剂的喷射量和烟气混合情况、反应的时间长短等。正是由于SNCR反应需要合适的温度区间和停留时间，所以还原剂喷射位置的确定是SNCR整体系统的设计的关键。还原剂喷射位置需要根据流畅模拟结果和实际运行数据综合确定[4-6]。本文研究对象为520 t/h亚临界循环流化床锅炉，自然循环、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、紧身封闭布置，一台锅炉设置两台旋风分离器，还原剂为尿素。通过对脱硝系统流场的模拟，可以模拟锅炉温度、气体流动及喷入还原剂与烟气的混合情况，初步确定喷枪的喷射位置;结合锅炉实际运行过程中的积灰情况和实测温度偏差情况，适当调整根据流场模拟结果初步确定喷射位置，最终形成最符合工程实际的还原剂喷射喷枪位置。1数学模型及计算方法1.1模型说明根据工程的实际运行情况，为了保证模拟的顺利进行，对模拟系统做出如下简化与假设：（1）将烟气视为单相、不可压缩牛顿流体、连续介质、定常流动；（2） 假设在系统入口处，烟气的速度、 温度以及氮氧化物都是均匀分布；（3）模拟系统内的大型换热器采用多孔介质进行模拟，最终产生一个与设备实际运行过程中的压力损失大体一致的数值；（4）忽略一些对流场影响较小的内部构造，例如系统中的构架、梁等；（5）锅炉水冷壁简化为光滑的换热壁面。1.2理论模型[7-9]在模拟过程中需要对系统内烟气的流动状态、化学反应、压力分布以及换热等进行定义、简化以及建立相应模型等，主要包括以下几项：（1）湍流模型。根据系统内烟气的流动状态，采用k-ε湍流模型模拟系统内烟气的流动状态。（2）物质输运模型。在脱硝反应中，流动的介质有烟气和氨气等，所以需要考虑混合情况，即采用混合物的物质输运模型来模拟。通过求解描述每种组成物质的对流、扩散和反应源的守恒方程模拟系统内介质的混合和输运状况，进而模拟多种同时发生的化学反应。（3）多孔介质模型。对于大型换热器的压降，在模拟过程中，需要通过将其看作多孔介质进行模拟。（4）CKM 化学反应动力学模型。此过程中不同反应物之间转化主要为气相反应，同时需要考虑多种反应物之间的反应。（5）辐射换热模型。此反应中，通过采用六通量热流法来模拟炉内辐射换热，以垂直于此界面的均匀辐射热流来代替微元体界面上复杂的半球空间热辐射，然后求解不同方向的辐射热流输运微分方程，得到炉内辐射热流的分布规律。（6）标准偏差。偏差系数是各截面处速度或浓度的标准偏差占该截面速度或浓度平均值的百分量。1.3边界条件系统的边界条件需要根据工程的实际情况给定。在脱硝烟气入口边界条件中，需要给定烟气的流量、初始NOx浓度等详细参数，系统的出口边界条件采用压力出口，CFD模拟边界条件如表1所示。表1　CFD模拟边界条件 /(mg/m3)10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.T001项目100%负荷75%负荷50%负荷单台炉烟气量（标态，湿基，实际 O2）/(m3/h)540 700405 5252 703 50SNCR 入口 NOx 浓度（标态，干基， 6%O2）/(mg/m3)250250250SNCR 后 NOx 浓度（标态，干基， 6%O2）/(mg/m3)≤50≤50≤502脱硝系统流场的模拟2.1网格划分模型建立后，需要进行网格划分,将模型离散化，即通过有限的网格节点描述实际的空间连续实体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响， 因此在一些对结果影响较大的区域要进行局部加密的方式提高计算精度。脱硝系统网格划分如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.F001图1脱硝系统网格划分示意图2.2脱硝系统流场模拟脱硝系统模拟结果如图2～图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.F002图2100%负荷整体温度分布图由图2可知，分离器入口烟道的外侧面温度较内侧面温度高，这与一般循环流化床锅炉喷枪主要布置在分离器入口烟道外侧面的情况相符。低负荷工况下，内侧面喷枪最先开始运行在温度窗口以下区域，因此低负荷时内侧喷枪可以考虑减小尿素溶液喷射量以保证低负荷下NH3逃逸浓度在允许范围内。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.F003图3速度分布立面图由图3可知，旋风分离器入口烟道段越贴近烟道底部烟气流速越低。在低负荷下，烟气中携带的大量灰尘颗粒会在烟道底部沉积，形成一个迎风面比背风面坡度大的灰堆。在锅炉布置喷枪时要避开灰堆区域，防止喷枪被积灰掩埋。实际设计过程中灰堆高度和区间可以通过流畅模拟和根据锅炉运行过往积灰痕迹综合判断。由图4～图5可知，从A、B烟道外侧墙喷枪喷入的尿素溶液在烟气的裹挟下紧贴烟道外侧壁进入旋风分离器，与烟气的混合不够充分。而A、B烟道内侧墙喷枪喷入的尿素溶液则在离心力作用下向烟道外侧壁一侧偏移，在水平面上烟道内侧墙喷枪喷入的还原剂几乎穿过了整个烟道截面，与烟气混合较为充分。内外侧喷枪协同作用几乎可以覆盖整个烟道截面，满足了SNCR脱硝对于还原剂与原烟气混合程度的要求。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.F004图4尿素溶液喷入流线图10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.F005图5尿素溶液喷入烟道迹线图2.3模拟结果通过改变喷枪数量、位置、喷射角度、流量等对脱硝系统流场进行多次模拟，最终确定当在旋风分离器入口水平烟道内外侧烟道各布置4支喷枪，共16支喷枪时，氮氧化物的出口浓度都降至50 mg/m3以下（如图5所示），达到了国家超低排放标准，尤其是在满负荷情况下，远远优于国家标准。喷枪具体参数见表2与图6。脱硝系统参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.T002表2喷枪最终参数项目模拟结果喷枪平均流量/(L/h)150喷枪数量/杆16喷枪平均粒径/μm40~60雾化角/(°)≈60喷射形状实心锥10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.F006图6喷枪分布示意图10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.T003表3脱硝参数项目100%负荷75%负荷分离器入口温度/℃≈952≈930NOx入口浓度（以NO2计）/(mg/m3)250250NOx出口浓度（以NO2计）/(mg/m3)＜50＜503实际运行数据分析脱硝系统流场实际运行脱硝参数如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.011.T004表4脱硝系统流场实际运行脱硝参数项目100%负荷75%负荷分离器入口温度/℃≈940≈930初始NOx浓度/(mg/m3)209286脱硝后NOx浓度/(mg/m3)3048SNCR脱硝效率/%85.783.3氨逃逸浓度/(mg/m3)3.853.47由表4可知，在实际运行过程中，当前选定还原剂喷射点在机组满负荷运行时旋风分离器入口温度约为930 ℃，SNCR投运前烟气的初始NOx浓度为286 mg/m3，高于设计值高，但出口NOx浓度为48 mg/m3；而112 MW时出口NOx浓度为30 mg/m3，均小于设计NOx的排放浓度，且两种工况下的脱硝效率均大于设计脱硝效率80%，说明还原剂喷射点位置选取合适，设计成功。4结语本研究通过对520 t/h亚临界循环流化床锅炉SNCR脱硝系统进行多次CFD模拟，最终确定在其他条件一定时，在旋风分离器入口水平烟道内外侧烟道各布置4支喷枪，共计16支喷枪，脱硝后的NOx浓度达到国家超低排放标准。