火电机组SCR脱硝系统热量平衡分析

李 季，左松伟，杨勇平

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引言

火电机组安装选择性催化还原 (Selective Catalytic Reduction，SCR)脱硝系统可有效脱除NOx污染物。火电厂SCR脱硝系统一般布置于省煤器与空气预热器之间的尾部烟气段，脱硝系统的引入将对锅炉尾部受热面的温度分布产生影响，影响的主要因素包括脱硝系统发生的化学反应会产生反应热导致烟气温度升高，稀释风的加入导致烟气温度降低，脱硝系统的散热损失导致烟气温度降低，以及脱硝系统的漏风导致烟气温度降低。这些因素将影响锅炉排烟温度以及排烟容积，并最终影响锅炉的排烟热损失以及锅炉效率。因此本文从SCR脱硝系统热量平衡的角度进行热力学分析，通过对脱硝系统热量平衡的模型建立，以及对典型机组的案例进行定量计算，获得脱硝系统对锅炉排烟热损失和锅炉效率的影响。

1 SCR脱硝系统对锅炉热量平衡的影响

根据相关文献，由于安装SCR脱硝装置，空气预热器的入口烟温比未安装脱硝装置的设计温度略有降低。而温度降低的幅度多数都是根据工程经验获得，约下降5℃左右[1]，并没有从理论上定量获得温度的变化情况。因此，本文针对SCR脱硝系统，包括脱硝反应器及其内部烟道的热量平衡进行了详细的热力学分析和计算。

在SCR脱硝系统正常运行工况下，反应器及其烟道系统中的热量平衡主要涉及四个方面:脱硝反应器中发生的还原反应产生的化学反应热、加入的稀释空气的温升吸热、反应器和烟道的散热损失，以及反应器和烟道部位的漏风热损失。

(1)加入的还原剂在脱硝反应器中与烟气中的NOx气体发生还原反应，该化学反应是放热反应，反应放热量与烟气量以及 NOx气体浓度有关，化学反应造成烟气温度的升高幅度与反应放热量有关。

(2)引入的低温稀释空气进入烟道内与烟气混合，导致烟气温度的降低，稀释风造成烟气温度的降低幅度与稀释风量有关。

(3)由于SCR脱硝反应器及其烟道的表面积很大，而且反应器工作在300～400℃的温度区间，这些都导致散热损失增大，散热造成温度的降低幅度和脱硝系统设计和运行参数有关。

(4)脱硝反应器及其烟道同样存在炉墙不严密处漏风问题，漏风不仅引起烟气容积增大，而且还会使漏风点处的烟气温度降低，使后续传热量减小[2]，漏风造成温度的降低幅度与漏风量有关。

由于安装了脱硝系统导致的温度变化是上述四种因素的总的效果。通过以上分析可知，脱硝系统的引入对排烟温度和烟气容积产生影响，而排烟热损失与这两个因素有关，因此脱硝系统的引入对排烟热损失有影响，从而对锅炉效率产生影响。

2 SCR脱硝系统热量平衡的热力学计算

2.1 化学反应放热导致的烟气温升

在脱硝反应器内，还原剂 (NH3)与NOx气体发生以下两个主要反应:

主反应1:

主反应2:

式中:Q1、Q2分别是主反应1和主反应2的反应热，通过标准生成焓计算确定，分别为Q1=－406.867 kJ/mol，Q2= － 699.594 kJ/mol。

2.1.1 计算总放热量

主反应1放热量:

主反应2放热量:

化学反应总放热量:

式中:Qfy1为主反应1的总放热量，kJ/h;Qfy2为主反应2的总放热量，kJ/h;CNO为烟气中NO的浓度，mg/Nm3;CNO2为烟气中NO2的浓度，mg/Nm3;qvg为烟气的体积流量，Nm3/h;η为脱硝效率，%。

2.1.2 计算烟气的定压比热容

已知:烟气各成分的相对分子量Mi，体积分数φi(%)，温度为t(℃)。

首先计算此时的质量定压比热容Cmp，y，将SCR系统入口烟气假设为理想气体，根据理想气体定压比热容的计算方法，计算如下:

烟气的平均相对摩尔质量:

烟气各成分的质量分数:

各成分的质量定压比热容:

式中: α、β、γ、δ、ε 为比热容方程常数。

烟气的质量定压比热容:

其次计算烟气的质量Qy，m，烟气的平均密度:

式中:ρ为烟气的平均密度，ρi为烟气各成分的密度。

烟气在t℃时的体积q'y与标态下的换算如下:

烟气的质量流量:

根据热平衡列出方程:

式中:Δt1为反应温升，℃;Q为两反应总放热量，kJ/h;Qy，m为烟气的质量流量，kg/h;Cmp，y为烟气的质量定压比热容，kJ/(kg·K)。

2.2 稀释空气吸热导致的烟气温降

已知稀释空气入口温度为t011，SCR系统烟气温度为t02，混合稳定后烟气的温度为 t，稀释空气的吸热等于烟气的放热，列热平衡方程如下:

式中:Cmp，k为空气质量定压比热容，kJ/(kg·K);Qair为稀释空气的质量流量，kg/h;Cmp，y为烟气的质量定压比热容，kJ/(kg·K);Qy，m为烟气流量，kg/h。

整理平衡方程计算得到稳定后的温度为

计算烟气的温降为Δt2=t02－ t。

2.3 反应器及其烟道散热导致的烟气温降

典型的尾部烟道布置从里到外可以分为:耐火层，绝热层，保温层，保护板等。由于散热损失对脱硝系统的能耗损失影响并不明显，在进行保温设计时一般采用单层保温的方式[3]。假设脱硝系统烟道由N层保温材料组成，忽略各层之间的接触热阻，利用一维导热计算热流密度，得到脱硝系统部分烟道的散热损失量。由于脱硝系统SCR反应器内部分层填充催化剂，因此假设烟道内壁温度与烟气温度相同，不考虑烟道内表面传热系数的影响。

假设烟道内壁温度为t1，烟道外壁温度为tn，计算得到各层的导热系数分别为 λ1，λ2，λ3，…，λn，各保温层的厚度为 δ1，δ2，δ3，…，δn，则:

式中:q为每平方米炉墙的散热损失，W/m2。

脱硝系统反应器及其烟道的总面积为A，则列出热平衡方程为

式中:Δt3为散热导致的温降，K;A为总面积，m2。

2.4 反应器及其烟道漏风导致的烟气温降

已知烟道漏风温度为t012，SCR系统烟气温度为t0

2，混合稳定后烟气的温度为t'，漏入空气的吸热等于烟气的放热，列出热平衡方程如下:

式中:Cmp，k为空气质量定压比热容，kJ/(kg·K);Qlf为漏风的质量流量，kg/h;Cmp，y为烟气的质量定压比热容，kJ/(kg·K);Qy，m为烟气质量流量，kg/h。

整理平衡方程，可得稳定后的温度为

计算烟气的温降为Δt4=t02－ t'。

2.5 SCR脱硝系统对锅炉排烟热损失的影响

根据查阅的大量文献[1，4，5，6]，脱硝系统出口较入口温度变化不大，因此本文中主要考虑漏风率增加导致的烟气量增大引起的排烟损失变化。

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排烟热损失q2等于排烟焓值与进入锅炉的冷空气焓值的差[2]，计算式如下:

式中:hpy为排烟的焓，kJ/kg;αpy为烟气侧空气预热器出口的过量空气系数;h0lk为理论冷空气的焓，kJ/kg;q4为机械不完全燃烧热损失，在只考虑漏风引起的锅炉效率变化时，认为q4等其他热损失不变，可根据煤种不同选取适当的数值。

2.5.1 计算排烟焓hpy

完全燃烧时锅炉排烟焓可以用下式计算[2]:

式中:hpy为排烟焓，kJ/kg;Vgy为干烟气容积，Nm3/kg;VH2O为水蒸气容积，Nm3/kg;cH2O为水蒸气的平均定压比热容，kJ/(Nm3·℃);cgy为干烟气的平均定压比热容，kJ/(Nm3· ℃);ϑpy为排烟温度，℃;hfh为飞灰焓，kJ/kg;

cgy可按下式进行计算:

式中:RO2、N2、O2分别表示干烟气中三原子气体、氮气、氧气的容积百分数，cRO2、cN2、cO2分别表示三原子气体、氮气、氧气的平均定压比热容。

hfh可按下式计算:

2.5.2 计算理论冷空气焓h0lk

理论冷空气焓可按下式计算:

式中:V0为理论空气量，Nm3/kg;ck为1 Nm3干空气连同其带入的水蒸气的平均定压比热容，kJ/(Nm3· ℃);tk为空气温度，℃。

将上述计算得到的排烟焓和冷空气焓代入式(20)中，脱硝前后的过量空气系数大小不同，通过比较脱硝前后的排烟热损失，即可得到排烟热损失的变化 (在计算中假设脱硝前后排烟温度不变)。

2.6 SCR脱硝系统对锅炉效率的影响

基本可认为当漏风变化不大而保持其他参数不变时，q3、q4、q5的值保持不变，灰渣物理热损失q6可忽略不计，因此，漏风变化导致锅炉效率变化的表达式可表示为[7]

从上式可以看出，只要计算出锅炉排烟热损失的变化，就可计算出锅炉效率的变化。

3 典型机组计算结果

根据典型600 MW机组和某1 000 MW机组的设计数据，进行了脱硝系统的热量平衡计算。计算中，SCR脱硝系统的脱硝效率为80%，氨逃逸率为3 ppm;600 MW机组设计煤种为神府东胜煤，SCR反应器入口NOx浓度为350 mg/Nm3;1 000 MW机组设计煤种为准格尔煤和印尼煤按1∶1配比的混煤，SCR反应器入口 NOx浓度为300 mg/Nm3。在计算中，分别考虑600 MW机组在 BMCR、TRL、THA、75%THA、50%THA、40%THA和高加全切等不同负荷以及1 000 MW机组在 BMCR、BRL、75%BMCR、50%BMCR、30%BMCR和高加全切等不同负荷下，SCR反应器进出口烟气温度和锅炉排烟热损失的变化情况，过量空气系数、入煤量、排烟温度等参数均随负荷变化，计算结果如下:

3.1 反应器烟气温度变化计算结果

图1和图2分别为600 MW机组和1 000 MW机组SCR脱硝系统反应器内烟气温度随机组负荷的变化情况。从图中可以看出，负荷一定时，在反应温升，稀释风温降，漏风温降中，漏风温降最大，反应温升次之，稀释风温降最小;不同负荷时，这三项温度变化都随负荷的降低而减小。从图中还可看出，烟气经SCR反应器后，烟气温度降低均小于2℃，且随负荷的降低而减小。由于反应器及其烟道的热流密度较小，散热损失在计算中可忽略不计。

3.2 排烟热损失计算结果

图3和图4给出了600 MW机组和1 000 MW机组的排烟热损失及其随负荷的变化关系。从图中可以看出，脱硝系统对锅炉排烟热损失的影响不大，排烟热损失变化量均低于0.05%，并且排烟热损失及其变化值都随机组负荷的降低而减小。在BMCR工况下，排烟热损失及其变化最高。从排烟热损失计算公式上看，高负荷时，锅炉的排烟温度高，而过量空气系数相对较小，因此，排烟热损失相对较高。同时，根据2.6节分析结果，脱硝系统对锅炉效率的影响也低于0.05%。

图1 600 MW机组SCR系统烟气温度变化图Fig.1 Temperature variation of SCR unit for 600 MW unit

图2 1 000 MW机组SCR系统烟气温度变化图Fig.2 Temperature variation of SCR unit for 1 000 MW unit

图3 600 MW机组排烟热损失变化曲线Fig.3 Heat loss of flue gas for 600 MW unit

图4 1 000 MW机组排烟热损失变化曲线Fig.4 Heat loss of flue gas for 1 000 MW unit

4 结论

本文主要分析了SCR脱硝系统反应器及其烟道内的热量平衡，分别从化学反应放热导致的烟气温升、稀释风导致的烟气温降、反应器及其烟道散热导致的烟气温降以及漏风导致的烟气温降这四个方面，对反应器及其烟道内的温度分布进行了详细的热力学分析与计算，同时分析了SCR脱硝系统对锅炉排烟热损失和锅炉效率的影响。本文还针对典型600 MW机组和1 000 MW机组的设计数据进行了计算，获得了SCR脱硝系统反应器及其烟道内温度分布的具体数据。通过计算可知，烟气经脱硝反应器后温度的降低小于2℃，与相关文献的工程经验数据相吻合[1，4，5，6]; 同时也获得了脱硝系统对排烟热损失的影响，在BMCR工况下锅炉排烟热损失变化0.05%，即锅炉效率相应降低0.05%。由于加装脱硝系统导致的散热损失增加和锅炉漏风等情况不可避免，因此，在安装和运行脱硝系统时，应注意做好反应器的保温措施以及系统的密封性，以降低系统的能耗损失。

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