鍋爐變工況NO x排放特性研究

于浩

（華陸工程科技有限責任公司，西安710065）

1 SCR裝置脫硝效率的影響因素

對于固定的SCR裝置，在一定煙氣流速下，煙氣與氨氣的反應時間是一定的，NOx的轉化效率只與反應速率有關。因此，對化學反應速率有影響的因素均對SCR脫硝效率有影響。SCR中的反應是一個有催化劑參與的反應，而催化劑活性受溫度、氧濃度及水分的影響。

1.1 煙氣溫度

SCR裝置內發生的為放熱反應，但NOx在煙氣中的占比極低，放熱引起的溫度變化可以忽略，認為反應溫度等于入口煙氣溫度，因此，煙氣溫度對反應有明顯影響。SCR裝置脫硝效率隨煙氣溫度呈現先升高后基本不變最后降低的趨勢，即在一定溫度范圍內，脫硝效率維持在較高值。本文通過調研文獻[1]得知，在煙氣溫度390℃時為脫硝效率最高點。

1.2 煙氣含氧量

煙氣中的氧主要通過影響催化劑活性來影響脫硝效率。本文通過調研文獻[1]得知，隨著煙氣中氧濃度的增大，催化劑活性逐漸增強，進而可以使SCR反應速率加快，效率升高。

1.3 煙氣含水量

與煙氣中的氧一樣，煙氣中的水也主要是通過影響催化劑活性來影響脫硝效率。本文通過調研文獻[1]得知，催化劑活性隨著煙氣中含水量的升高而逐漸降低，這將導致SCR反應速率減慢，效率降低。

2 研究過程及分析

在鍋爐運行過程中，負荷多變，過量空氣系數也有可能變化，煙氣參數也會改變，必然導致SCR裝置脫除效率改變，進而影響鍋爐NOx排放。本文研究過量空氣系數、負荷對鍋爐SCR脫除特性的影響。

2.1 空氣系數對鍋爐NO x排放的影響

本文在鍋爐THA負荷下，研究了4種不同過量空氣系數下的結果，分別為1.10、1.15、1.20、1.30。通過查閱文獻及相關計算得知，隨著過量空氣系數的增大，SCR入口煙氣溫度逐漸升高。這是因為隨著過量空氣系數的增大，有更多溫度較低的空氣被送入爐膛，使得煤粉理論燃燒溫度降低，爐膛內溫度水平下降，爐膛出口煙溫降低。同時，為了保證蒸發量不變，送入的煤粉量會增多，又會導致爐膛出口煙溫上升，但前者的作用較后者強，導致爐膛出口煙溫隨著過量空氣系數的增大而降低。煙氣排出爐膛后，與尾部受熱面進行換熱，過量空氣系數的增大，導致煙氣量增加，煙氣在各受熱面的溫降減小，煙氣溫度在爐膛出口的差異被逐漸抵消，導致省煤器出口煙溫隨過量空氣系數的增大而升高。隨著過量空氣系數的增大，SCR入口煙氣含氧量升高，煙氣含水量降低。這是因為隨著過量空氣系數的增加，有更多的氧氣被送入爐膛，燃燒未消耗完的氧氣量增加，導致煙氣含氧量增加；煙氣中的水分主要來源于煤中氫元素的氧化和送入的空氣中的水，當過量空氣系數增加時，有更多的空氣被送入爐膛，導致煙氣含水量增加，但空氣中含水量低，這個增加作用相比空氣對煙氣中水分的稀釋作用較弱，導致煙氣含水量隨著過量空氣系數的增加而減小。

通過相關計算得出圖1所示曲線，可以看出隨著過量空氣系數的增加，SCR脫硝效率增大。這是因為隨著過量空氣系數的增加，SCR入口處煙氣溫度升高，煙氣含氧量增大，煙氣含水量降低，這3種變化對脫硝效率的升高均有促進作用，從而隨著過量空氣系數的增加脫硝效率升高。但是，隨著過量空氣系數的增加，鍋爐的排煙溫度升高，排煙熱損失增大，會導致鍋爐熱效率下降。因此，在鍋爐實際運行過程中，應在保證鍋爐熱效率的前提下，盡量提高過量空氣系數，這樣不僅可以使爐內燃燒充分，提高鍋爐燃燒效率，還可以降低NOx排放。

圖1 SCR脫硝效率及鍋爐熱效率隨過量空氣系數變化曲線

2.2 負荷對鍋爐NO x排放的影響

本文研究了以下4種工況的結果，分別為BMCR、THA、75%THA和50%THA。通過查閱文獻及相關計算可以得出隨著鍋爐負荷的降低，SCR入口煙氣溫度即省煤器出口煙氣溫度減小。這是因為隨著鍋爐負荷的降低，送入鍋爐的煤粉量減少，爐膛內燃燒減弱，爐膛出口煙溫降低。同時，負荷降低時，產生的煙氣量也減小，尾部對流換熱面的煙氣溫降增大，進而導致SCR入口煙氣溫度降低；隨著鍋爐負荷的降低，SCR入口處煙氣含氧量升高，煙氣含水量降低。這是因為，為了保證燃燒效率，按照鍋爐說明書的指導設置了不同的過量空氣系數，負荷越低，過量空氣系數越大，這就導致煙氣含氧量升高，含水量降低。

通過相關計算得出圖2所示曲線，可以看出隨著鍋爐負荷的降低，SCR脫硝效率大幅度減小。這是因為影響脫硝效率的3個因素中，溫度的作用最顯著，在本文計算的幾種負荷中，煙氣含氧量和含水量雖然發生了變化，但變化幅度較小，而煙氣溫度發生了較明顯變化，從BMCR負荷減小到50%THA負荷時，煙氣溫度降低了接近80℃，從而導致脫硝效率在低負荷時出現較明顯的下降，尤其在50%THA負荷時，脫硝效率降低至77%。在不同負荷下，鍋爐熱效率變化不大，說明在低負荷時設置較大的過量空氣系數，通過保證鍋爐的燃燒效率保證了鍋爐的熱效率。隨著負荷的降低，NOx排放濃度因SCR效率的降低而出現較大的上升。這就要求在低負荷時，應采取適當措施提高SCR入口的煙氣溫度。國內外學者針對這個問題已經提出了一些方法，如省煤器前設置旁路[2]、省煤器分段、設置蒸汽噴射器加熱給水[3]以及設置零號高壓加熱器等。

圖2 SCR脫硝效率及鍋爐熱效率隨鍋爐負荷變化曲線

3 結語

本文通過研究獲得了過量空氣系數、負荷對SCR脫硝效率的影響。結果表明：

1）過量空氣系數對鍋爐NOx排放有明顯影響。過量空氣系數越高，SCR入口煙氣溫度越高，煙氣含氧量越高，含水量越低，最終導致鍋爐NOx排放量降低。

2）負荷對鍋爐NOx排放有明顯影響。負荷越低，SCR入口煙氣溫度越低，煙氣含氧量越高，含水量越低，進而導致SCR脫硝效率在低負荷時出現了明顯降低，并最終導致鍋爐在低負荷時NOx排放量出現明顯升高。