锅炉变工况NO x排放特性研究

于浩

（华陆工程科技有限责任公司，西安710065）

1 SCR装置脱硝效率的影响因素

对于固定的SCR装置，在一定烟气流速下，烟气与氨气的反应时间是一定的，NOx的转化效率只与反应速率有关。因此，对化学反应速率有影响的因素均对SCR脱硝效率有影响。SCR中的反应是一个有催化剂参与的反应，而催化剂活性受温度、氧浓度及水分的影响。

1.1 烟气温度

SCR装置内发生的为放热反应，但NOx在烟气中的占比极低，放热引起的温度变化可以忽略，认为反应温度等于入口烟气温度，因此，烟气温度对反应有明显影响。SCR装置脱硝效率随烟气温度呈现先升高后基本不变最后降低的趋势，即在一定温度范围内，脱硝效率维持在较高值。本文通过调研文献[1]得知，在烟气温度390℃时为脱硝效率最高点。

1.2 烟气含氧量

烟气中的氧主要通过影响催化剂活性来影响脱硝效率。本文通过调研文献[1]得知，随着烟气中氧浓度的增大，催化剂活性逐渐增强，进而可以使SCR反应速率加快，效率升高。

1.3 烟气含水量

与烟气中的氧一样，烟气中的水也主要是通过影响催化剂活性来影响脱硝效率。本文通过调研文献[1]得知，催化剂活性随着烟气中含水量的升高而逐渐降低，这将导致SCR反应速率减慢，效率降低。

2 研究过程及分析

在锅炉运行过程中，负荷多变，过量空气系数也有可能变化，烟气参数也会改变，必然导致SCR装置脱除效率改变，进而影响锅炉NOx排放。本文研究过量空气系数、负荷对锅炉SCR脱除特性的影响。

2.1 空气系数对锅炉NO x排放的影响

本文在锅炉THA负荷下，研究了4种不同过量空气系数下的结果，分别为1.10、1.15、1.20、1.30。通过查阅文献及相关计算得知，随着过量空气系数的增大，SCR入口烟气温度逐渐升高。这是因为随着过量空气系数的增大，有更多温度较低的空气被送入炉膛，使得煤粉理论燃烧温度降低，炉膛内温度水平下降，炉膛出口烟温降低。同时，为了保证蒸发量不变，送入的煤粉量会增多，又会导致炉膛出口烟温上升，但前者的作用较后者强，导致炉膛出口烟温随着过量空气系数的增大而降低。烟气排出炉膛后，与尾部受热面进行换热，过量空气系数的增大，导致烟气量增加，烟气在各受热面的温降减小，烟气温度在炉膛出口的差异被逐渐抵消，导致省煤器出口烟温随过量空气系数的增大而升高。随着过量空气系数的增大，SCR入口烟气含氧量升高，烟气含水量降低。这是因为随着过量空气系数的增加，有更多的氧气被送入炉膛，燃烧未消耗完的氧气量增加，导致烟气含氧量增加；烟气中的水分主要来源于煤中氢元素的氧化和送入的空气中的水，当过量空气系数增加时，有更多的空气被送入炉膛，导致烟气含水量增加，但空气中含水量低，这个增加作用相比空气对烟气中水分的稀释作用较弱，导致烟气含水量随着过量空气系数的增加而减小。

通过相关计算得出图1所示曲线，可以看出随着过量空气系数的增加，SCR脱硝效率增大。这是因为随着过量空气系数的增加，SCR入口处烟气温度升高，烟气含氧量增大，烟气含水量降低，这3种变化对脱硝效率的升高均有促进作用，从而随着过量空气系数的增加脱硝效率升高。但是，随着过量空气系数的增加，锅炉的排烟温度升高，排烟热损失增大，会导致锅炉热效率下降。因此，在锅炉实际运行过程中，应在保证锅炉热效率的前提下，尽量提高过量空气系数，这样不仅可以使炉内燃烧充分，提高锅炉燃烧效率，还可以降低NOx排放。

图1 SCR脱硝效率及锅炉热效率随过量空气系数变化曲线

2.2 负荷对锅炉NO x排放的影响

本文研究了以下4种工况的结果，分别为BMCR、THA、75%THA和50%THA。通过查阅文献及相关计算可以得出随着锅炉负荷的降低，SCR入口烟气温度即省煤器出口烟气温度减小。这是因为随着锅炉负荷的降低，送入锅炉的煤粉量减少，炉膛内燃烧减弱，炉膛出口烟温降低。同时，负荷降低时，产生的烟气量也减小，尾部对流换热面的烟气温降增大，进而导致SCR入口烟气温度降低；随着锅炉负荷的降低，SCR入口处烟气含氧量升高，烟气含水量降低。这是因为，为了保证燃烧效率，按照锅炉说明书的指导设置了不同的过量空气系数，负荷越低，过量空气系数越大，这就导致烟气含氧量升高，含水量降低。

通过相关计算得出图2所示曲线，可以看出随着锅炉负荷的降低，SCR脱硝效率大幅度减小。这是因为影响脱硝效率的3个因素中，温度的作用最显著，在本文计算的几种负荷中，烟气含氧量和含水量虽然发生了变化，但变化幅度较小，而烟气温度发生了较明显变化，从BMCR负荷减小到50%THA负荷时，烟气温度降低了接近80℃，从而导致脱硝效率在低负荷时出现较明显的下降，尤其在50%THA负荷时，脱硝效率降低至77%。在不同负荷下，锅炉热效率变化不大，说明在低负荷时设置较大的过量空气系数，通过保证锅炉的燃烧效率保证了锅炉的热效率。随着负荷的降低，NOx排放浓度因SCR效率的降低而出现较大的上升。这就要求在低负荷时，应采取适当措施提高SCR入口的烟气温度。国内外学者针对这个问题已经提出了一些方法，如省煤器前设置旁路[2]、省煤器分段、设置蒸汽喷射器加热给水[3]以及设置零号高压加热器等。

图2 SCR脱硝效率及锅炉热效率随锅炉负荷变化曲线

3 结语

本文通过研究获得了过量空气系数、负荷对SCR脱硝效率的影响。结果表明：

1）过量空气系数对锅炉NOx排放有明显影响。过量空气系数越高，SCR入口烟气温度越高，烟气含氧量越高，含水量越低，最终导致锅炉NOx排放量降低。

2）负荷对锅炉NOx排放有明显影响。负荷越低，SCR入口烟气温度越低，烟气含氧量越高，含水量越低，进而导致SCR脱硝效率在低负荷时出现了明显降低，并最终导致锅炉在低负荷时NOx排放量出现明显升高。