CN202983499U

CN202983499U - 一种基于cfd的工业锅炉sncr脱硝装置

Info

Publication number: CN202983499U
Application number: CN 201220647381
Authority: CN
Inventors: 马晓茜; 林有胜; 余昭胜
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2022-11-29

Abstract

本实用新型公开了一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，包括炉膛、一个脱硝装置，所述脱硝装置包括装有氨水溶液的容器、与容器管路连接的氨水泵、布置在炉膛燃烧区域上部的双层喷嘴组、布置在炉膛顶部并与折焰角对应处的单层喷嘴组；所述氨水泵的出口通过管路连接双层喷嘴组和单层喷嘴组。增加了脱硝装置，氨水溶液通过氨水泵，按照双层喷嘴组和单层喷嘴组预定的位置及角度喷入炉膛内，使配比好的氨水溶液与炉膛内的烟气得到良好的雾化，双层喷嘴组和单层喷嘴组的布局，加强了氨水溶液与炉膛内烟气混合及停留时间，满足SNCR脱硝反应大于0.3秒的要求，有利于提高烟气脱硝效率。本专利布局合理、脱硝效率高，应用前景广阔。

Description

一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置

技术领域

本实用新型涉及烟气脱硝装置，尤其涉及一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置。

背景技术

现阶段，我国工业锅炉主要的脱硝技术可分为两大类，一是燃烧优化氮氧化物控制技术（包括：低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、再燃、烟气再循环、循环流化床（CFB）燃烧技术等）；二是烟气脱硝技术（包括：SNCR技术、SCR技术、SNCR与SCR相结合）。工业锅炉的尺寸比较小，混合相对比较容易，工业锅炉的炉膛温度恰好处于SNCR的反应窗口内，不需要大的改造空间，可通过对锅炉的改造实现，同时SNCR技术由于成本较低，因此较为适合现有工业锅炉的NO_X脱除。

SNCR技术，即选择性非催化还原技术，是在炉膛850~1150℃这一温度范围内、在无催化剂的作用下将NH₃或者尿素等氨基喷入炉膛内部，还原剂可选择性的还原烟气中的NO_X，其最佳反应温度是900～1100℃。脱硝效率可控制在30~80%之间，是目前应用较多的烟气脱硝技术之一。采用NH₃作为还原剂，还原NO_X的化学反应方程式主要为：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O

4NH₃+2NO+2O₂→3N₂+6H₂O

8NH₃+6NO→7N₂+12H₂O

SNCR技术还原NO_X的反应对于温度条件非常敏感，反应温度窗口的选择是SNCR还原NO_X效率高低的关键之一，温度窗口取决于烟气组成、烟气速度梯度、炉型结构等参数。最佳的反应温度范围为900～1100℃，温度过高，还原剂被氧化成NO_X，烟气中的NO_X含量不减少反而增加；温度过低，反应不充分，容易在尾部烟道处产生漏氨问题，腐蚀受热面和空预器等金属表面，造成沾污、堵灰和漏风现象，严重影响锅炉的安全运行。本发明针对SNCR反应温窗定位的问题，借助CFD模拟炉膛温度场，从而精确定位SNCR喷射点位置。

炉膛内部的温度分布受到锅炉负荷、煤种等多种因素的影响，温度窗口随着锅炉负荷的变化而变动。传统的反应温度窗口的定位是根据锅炉设计时确定的各炉膛位置温度分布，以及通过锅炉本体现有的各个观火窗和窥视孔进行的温度测量而确定。对于运行时间不长的锅炉，该方法准确性较高。对于运行时间较长的锅炉，由于炉膛内水冷壁的结焦，导致水冷壁与锅炉炉膛内烟气热交换效率下降，在原锅炉设计的反应温度窗口位置的烟气温度往往偏高，使得选择反应温窗位置不够精确。

众所周知，氮氧化物（NO_X）是锅炉燃烧的主要污染物排放之一，也是目前以及未来一段时期我国大气环境管理和污染源排放控制的重点污染物。相对于燃煤电站锅炉，我国工业锅炉排放的NO_X受重视程度较低。据统计，我国现有工业锅炉60万台，年耗煤量约4亿t，是仅次于电站锅炉的耗煤大户。我国工业锅炉以中小型为主，数量多，分布广，脱硝处理难以集中，排放的NO_X在污染物比重中所占份额也很大。根据我国能源消费结构，在未来相当长的时间内，燃煤锅炉仍将是我们工业锅炉的主流，然而现有工业锅炉的炉膛内烟气混合及停留时间短，不能满足SNCR脱硝反应大于0.3秒的要求，不利于提高烟气脱硝效率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种结构简单，脱硫效率高的基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，包括炉膛、一个脱硝装置，所述脱硝装置包括装有氨水溶液的容器、与容器管路连接的氨水泵、布置在炉膛燃烧区域上部的双层喷嘴组、布置在炉膛顶部并与折焰角对应处的单层喷嘴组；所述氨水泵的出口通过管路连接双层喷嘴组和单层喷嘴组。

在与双层喷嘴组和单层喷嘴组连接的管路上设置有调节阀。

双层喷嘴组的喷嘴分为四排，布置在炉膛的前墙和后墙上的喷嘴每一排均有4个构成，每个喷嘴的间隔距离是左墙边界至右墙边界宽度的20%；布置在左墙和右墙上的喷嘴每一排均有2个构成，每个喷嘴的间隔距离是前墙边界至后墙边界宽度的30%。所述双层喷嘴组的喷嘴喷射角度为90°。

单层喷嘴组的喷嘴分布在左墙、右墙和顶墙上，其中，左墙和右墙上各设1个，顶墙设4个；所述单层喷嘴组的喷嘴喷射角度为90°。

左墙和右墙上的1个喷嘴至顶墙边界的距离，是顶墙边界至底墙边界之间宽度的40%；顶墙设4个，每个喷嘴的间隔距离是左墙边界至右墙边界宽度的20%。

本实用新型与现有的技术相比具有以下优点：

炉膛的燃烧区域上部的双层喷嘴组为常开喷嘴组，折焰角附近（水平烟道处）的单层喷嘴组选择性开启喷嘴组，双层喷嘴组和单层喷嘴组的位置，都在SNCR反应温度窗口区间内喷射，实现高效脱硝。单层喷嘴组作为选择性开启喷嘴，以应负荷、煤种变化引起的NO_X初始浓度上升和烟气温度的变化，从而达到环保要求。

增加了脱硝装置，氨水溶液通过氨水泵，按照双层喷嘴组和单层喷嘴组预定的位置及角度喷入炉膛内，使配比好的氨水溶液与炉膛内的烟气得到良好的雾化，双层喷嘴组和单层喷嘴组的布局，加强了氨水溶液与炉膛内烟气混合及停留时间，满足SNCR脱硝反应大于0.3秒的要求，有利于提高烟气脱硝效率。

借助CFD对炉膛内温度场、流场进行模拟分析，结合炉膛温度场测试结果、热力计算结果的设计布置，使得SNCR在工业锅炉内部反应温度窗口的定位更为精确，提高脱硝效率。

本专利双层喷嘴组和单层喷嘴组布局合理、脱硝效率高、环保效果好的优点，可结合具体炉型、容量改造工业锅炉，应用前景广阔。

附图说明

图1是本实用新型基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置的示意图。

图2是图1中A-A剖面示意图。

图3是图1中B-B剖面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步具体详细描述。

实施例

如图1～图3所示，本实用新型基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，包括炉膛3、一个脱硝装置，所述脱硝装置包括装有氨水溶液的容器1、与容器1管路连接的氨水泵2、布置在炉膛3燃烧区域上部的双层喷嘴组6、布置在炉膛3顶部并与折焰角8对应处的单层喷嘴组9；所述氨水泵2的出口通过管路连接双层喷嘴组6和单层喷嘴组9。

在与双层喷嘴组6和单层喷嘴组9连接的管路上设置有调节阀5，调节气压和水压。

双层喷嘴组6的喷嘴6-1分为四排，布置在炉膛3的前墙7和后墙7-1上的喷嘴每一排均有4个构成，布置在左墙7-2和右墙7-3上的喷嘴每一排均有2个构成；所述双层喷嘴组6的喷嘴6-1喷射角度为90°。

布置在炉膛3的前墙7和后墙7-1上的喷嘴每一排均有4个喷嘴构成，每个喷嘴的间隔距离是左墙7-2边界至右墙7-3边界宽度的20%；布置在左墙7-2和右墙7-3上的喷嘴每一排均有2个构成，每个喷嘴的间隔距离是前墙7边界至后墙7-1边界宽度的30%。上述分布，有效保证氨水溶液喷入炉膛3内沿宽度方向气流的均匀性，减少宽度方向的流场、温度场差异，有利于提高烟气脱硝效率。当炉膛3内稳定燃烧工况建立后，喷嘴开始喷射氨水溶液，维持喷射流量恒定，初速度控制在40~50m/s，使之在炉膛3内形成旋流区域，加强炉膛内气流混合及停留时间，满足SNCR脱硝反应大于0.3秒的要求，提高脱硝效率。

单层喷嘴组9的喷嘴9-1分布在左墙7-2、右墙7-3和顶墙7-4上，其中，左墙7-2和右墙7-3上各设1个，顶墙7-4设4个；所述单层喷嘴组9的喷嘴9-1喷射角度为90°。

左墙7-2和右墙7-3上的1个喷嘴至顶墙7-4边界的距离，是顶墙7-4边界至底墙7-5边界之间宽度的40%；顶墙7-4设4个，每个喷嘴的间隔距离是左墙7-2边界至右墙7-3边界宽度的20%。当工业锅炉负荷、煤种变化引起NOX初始浓度上升和烟气温度发生变化，开启单层喷嘴组9，喷嘴喷射的氨水溶液颗粒初速度控制在30~40m/s，氨水溶液高速喷入带来的扰动，增强炉膛内气流的混合，优化气流组织，脱硝效率得到保障，使烟气排放达到环保要求。

针对链条工业锅炉，建立链条炉排燃烧模型，以链条炉排实际燃烧条件作为炉膛CFD数值计算的边界，对炉内工况进行了模拟分析，获得理论上炉排上方烟气温度及其组分浓度分布，和测点测试结果进行比较，修正模拟并获得准确结果。结果表明，链条工业锅炉适合SNCR反应的区域处于通常出现在炉膛燃烧区域上部以及折焰角附近（屏式过热器、再热器处）。在此区域内布置双层喷嘴组6和单层喷嘴组9，以精确定位SNCR喷嘴位置的目的，从而提高脱硝效率。

本领域的技术人员熟知，链条工业锅炉的送风系统通常由一次风和二次风构成。进入炉膛的煤层随着炉排由前至后缓慢移动，完成预热、干燥、着火、燃烧直至燃尽等各个阶段，最后形成的灰渣排出炉膛。燃烧所需的空气由炉排下部能够分区调节配风的一次风提供。二次风的主要作用是促进炉膛内的烟气混合，为可燃气体和碳粒充分燃烧提供良好的条件，而不是为供给燃烧所需的空气。因此，二次风风量不宜过大，一般占全部空气需求量的5%~10%，出口速度50~70m/s，二次风压为3000~4000Pa。

本专利所用氨水溶液采用浓度为20%～30%的氨水混合溶液，通过调节两者的体积比可以得到各种质量分数的溶液。

双层喷嘴组6和单层喷嘴组9的喷嘴，可以通过电动控制进出炉膛3，当开始工作时进入炉膛3内开始喷射；当停止工作时，退出炉膛，可延长双层喷嘴组6和单层喷嘴组9的喷嘴使用寿命长。

如上所述便可较好的实现本实用新型。

本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，包括炉膛，其特征在于，还包括一个脱硝装置，所述脱硝装置包括装有氨水溶液的容器、与容器管路连接的氨水泵、布置在炉膛燃烧区域上部的双层喷嘴组、布置在炉膛顶部并与折焰角对应处的单层喷嘴组；所述氨水泵的出口通过管路连接双层喷嘴组和单层喷嘴组。

2.根据权利要求1所述的基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，其特征在于，在与双层喷嘴组和单层喷嘴组连接的管路上设置有调节阀。

3.根据权利要求2所述的基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，其特征在于，双层喷嘴组的喷嘴分为四排，布置在炉膛的前墙和后墙上的喷嘴每一排均有4个构成，布置在左墙和右墙上的喷嘴每一排均有2个构成；所述双层喷嘴组的喷嘴喷射角度为90°。

4.根据权利要求3所述的基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，其特征在于，布置在炉膛的前墙和后墙上的喷嘴每一排均有4个喷嘴构成，每个喷嘴的间隔距离是左墙边界至右墙边界宽度的20%；布置在左墙和右墙上的喷嘴每一排均有2个构成，每个喷嘴的间隔距离是前墙边界至后墙边界宽度的30%。

5.根据权利要求2所述的基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，其特征在于，单层喷嘴组的喷嘴分布在左墙、右墙和顶墙上，其中，左墙和右墙上各设1个，顶墙设4个；所述单层喷嘴组的喷嘴喷射角度为90°。

6.根据权利要求5所述的基于CFD的工业锅炉SNCR脱硝装置，其特征在于，左墙和右墙上的1个喷嘴至顶墙边界的距离，是顶墙边界至底墙边界之间宽度的40%；顶墙设4个，每个喷嘴的间隔距离是左墙边界至右墙边界宽度的20%。