崑鼎運用CFD技術輔助規劃新世代SNCR系統

崑鼎（ECOVE）深耕焚化發電領域20餘年，台灣24座焚化廠中，即有超過2/3曾由崑鼎負責營運操作、歲修整改或提升系統設備功能，目前則負責台灣7座焚化廠的操作營運或提供技術支援，更是台灣首家將焚化廠業務拓展至海外的業者。由於國內多數焚化廠操作營運已超過20年，為因應2025年6月後氮氧化物（NOx）加嚴排放標準，本文特別以崑鼎操作營運的國內某焚化廠為例，探討老舊焚化廠利用計算流體力學CFD分析技術，以提升選擇性非觸媒還原法（Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR）系統去除NOx效率的過程及成效。

緣 由

國內設有24座大型都市垃圾焚化廠，於垃圾焚化處理過程中，因高溫燃燒產生氮氧化物（NOx）之氣狀污染物，NOx同時是臭氧和細懸浮微粒(PM2.5)的前驅物，為造成空氣品質不良原因之一。此外，國內多數焚化廠操作營運已超過20年，受限於當年焚化廠興建時的空污防治設備技術及環保法規標準較為寬鬆，NOx的排放濃度普遍較高。為提高空氣品質，政府已於2020年7月10日頒布《三級防制區既存固定污染源應削減污染物排放量準則》，要求符合條件的廢棄物焚化處理程序，於2025年6月後氮氧化物（NOx）排放濃度需降至小於85ppm或削減率大於等於70%以上，而目前國內多數焚化廠無法符合此標準。

目前焚化廠的NOx去除技術採選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR）系統，過往平均去除效率約在30%～40%之間，為提高SNCR系統的去除效率，以因應2025年6月後嚴格的NOx排放標準，故須藉由先進的電腦模擬分析技術，透過計算流體力學 （Computational Fluid Dynamics, CFD），分析及確認焚化爐內的操作溫度，以找尋合適的還原劑加藥位置，有效提升其去除效率，並透過建立模型使資訊可視化，協助本系統的新增及改善工作執行。

本案焚化廠情況

本案焚化廠的原設計廢棄物熱值為1,600 kcal/kg，單爐處理量為450噸/日，爐型為VOLUND，因其爐型特性的緣故，未設置SNCR系統即可符合現行法規要求的180 ppm排放標準，惟依據2018年～2019年的小時操作數據分析，單爐最高的NOx排放濃度約在110 ppm，無法符合三級管制區所要求NOx排放濃度需降至小於85 ppm的排放標準。而本次升級整備計畫目標，為設置SNCR系統使NOx小時平均排放濃度可低於80ppm，優於三級防制區既存固定污染源應削減污染物排放量準則。

SNCR原理

SNCR是選擇性非催化還原法，是在合適的溫度下，利用含有氨基的還原劑將煙氣中氮氧化物還原成氮氣的反應，一般還原劑會使用氨水或尿素水反應式如下：

        式一：4 NO + 2 CO（NH₂）₂ + O₂ → 4 N₂ + 2 CO₂ + 4 H₂O （尿素）
        式二：4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O （氨）

不同還原劑適合的反應溫度不同，一般氨的反應區間在930℃~980℃，而尿素約在950℃~1050℃（European IPPC Bureau, 2003），如何將還原劑均勻地分布於適合的反應溫度區間，是成功的主要關鍵。噴入點溫度如果太高，會導致還原劑產生氮氧化物，使去除率降低；如溫度太低，除反應效率不好之外，還會增加逸散氨濃度。透過CFD分析，得以了解爐內溫度分佈及還原劑於爐內擴散狀況，有助於SNCR系統規劃，以提升效能。

CFD分析

CFD是透過3D建模與參數設定，模擬實際運轉後的溫度、流場及物質分布情況之技術。所以透過CFD分析煙道的溫度和流場分布，將有助於選擇噴槍安裝位置，透過擴散模擬將有助於了解還原劑擴散效果。

本案結合CFD和燃燒模擬，分析程序包含三個階段，說明如下：

一、建立3D模型

3D模型的建置需要參考包含鍋爐、爐床等各種設計圖說，例如燃燒室尺寸、爐內的耐火分布狀況、燃燒空氣噴嘴位置、角度、尺寸等。由於過往的資料多為2D平面圖，要建構3D模型，仍有許多圖面難以辨識之處，需現場工程師提供協助，於停爐期間進行確認，以達精準建模的目的，本案建立之鍋爐及爐床3D模型如圖1。

圖1 鍋爐及爐床3D模型圖

二、建立燃燒模型

燃燒模型主要用於了解流場、溫度的分布，以進行還原劑噴注點的選擇。其模型建立方式，是以設計參數為基礎，輔以現場實際操作數據及經驗來修正，使燃燒模型可貼近實際狀況。各種參數包含垃圾熱值、垃圾元素組成、一、二次風的風量分布配比，和溫度、燃燒段位置、垃圾層厚度、鍋爐蒸汽產量、汽鼓溫度、飼水流量、熱輻射損失估計量等，其中，如垃圾元素組成、風量的配比、垃圾層厚度、燃燒段位置、熱輻射損失估計量等，會大幅影響模型，故需仰賴現場長期的操作經驗來制定合宜的輸入參數。

因本案焚化廠的外型對稱，故模擬時只取一半的外型加快分析速度。分析過程中，需不斷藉由現場經驗回饋來修正模型，如圖2為第一次分析的溫度分布圖，經現場實際量測溫度反饋後更新模擬結果如圖3，結果顯示必要的現場資訊反饋，對於CFD模擬的精準度十分重要。

圖2 第一次CFD分析之第一煙道中心溫度分布圖

圖3 調整後之第一煙道中心的溫度及流場分布圖

三、選擇還原劑噴入點並模擬還原劑擴散

在得到合理的燃燒模型後，接著便要選擇還原劑噴入及模擬還原劑擴散模型，而模擬需要的參數包含噴槍的操作參數，例如流體流量、噴速、噴角、霧滴粒徑、噴射距離等，並搭配現場的動線規劃，選擇數個高層觀察溫度剖面圖（如圖4），從剖面圖可以觀察到溫度從前牆中心向側牆及後牆呈圓形遞減，高層越高，溫度越低。經綜合考量中心溫度、噴點溫度、蒸發時間及擴散特性及現場動線後，選擇高層一較為合適作為還原劑噴入位置。

考量水分蒸發時間影響到擴散效果的可能性，採兩種稀釋水噴量進行擴散模擬分析（每小時300L及400L），結果如圖5。其結果顯示，高稀釋水量有助於藥劑的擴散，但會影響整體的鍋爐效率，故實際規劃上，將以高稀釋水量規劃，但仍保有流量調整的空間，以便於氮氧化物去除效率及鍋爐效率間取得平衡。

圖4 第一煙道各層溫度剖面圖 （左為前牆，右為後牆，上方為爐中心，下方為側牆）

圖5 還原劑於鍋爐的擴散模擬圖（上：300L/hr；下：400L/hr）

去除效果

本案焚化廠的SNCR系統，於2021年3月到4月執行15天連續測試，測試期間NOx小時排放濃度平均可控制在70 ppm以下，各小時排放數值均可符合目標。

結 論

本案以CFD分析燃燒情況並和現場量測數據執行比對，以得知鍋爐第一煙道的溫度和流場分布，依據分析結果選擇噴槍位置，再經過模擬分析後，可得知在頂牆處有良好的擴散效果。經實際投入SNCR系統後，可將NOx降低至70ppm以下，已優於本案目標，同時遠低於目前《三級防制區既存固定污染源應削減污染物排放量準則》所要求的標準。此外，運用CFD技術，可將煙道內的資訊可視化，幫助設計者建立SNCR系統，以確保並提升脫硝效能，幫助降低環境中的NOx濃度。

參考文獻:
1. European IPPC Bureau, 2003, Reference Document on the Best Available Techniques in Common Waste Water and Waste Gas treatment/Management  Systems in the Chemical Sector, European IPPC Bureau, Brussels