火電機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)熱量平衡分析

李 季，左松偉，楊勇平

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引言

火電機(jī)組安裝選擇性催化還原 (Selective Catalytic Reduction，SCR)脫硝系統(tǒng)可有效脫除NOx污染物。火電廠SCR脫硝系統(tǒng)一般布置于省煤器與空氣預(yù)熱器之間的尾部煙氣段，脫硝系統(tǒng)的引入將對(duì)鍋爐尾部受熱面的溫度分布產(chǎn)生影響，影響的主要因素包括脫硝系統(tǒng)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱導(dǎo)致煙氣溫度升高，稀釋風(fēng)的加入導(dǎo)致煙氣溫度降低，脫硝系統(tǒng)的散熱損失導(dǎo)致煙氣溫度降低，以及脫硝系統(tǒng)的漏風(fēng)導(dǎo)致煙氣溫度降低。這些因素將影響鍋爐排煙溫度以及排煙容積，并最終影響鍋爐的排煙熱損失以及鍋爐效率。因此本文從SCR脫硝系統(tǒng)熱量平衡的角度進(jìn)行熱力學(xué)分析，通過(guò)對(duì)脫硝系統(tǒng)熱量平衡的模型建立，以及對(duì)典型機(jī)組的案例進(jìn)行定量計(jì)算，獲得脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐排煙熱損失和鍋爐效率的影響。

1 SCR脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐熱量平衡的影響

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，由于安裝SCR脫硝裝置，空氣預(yù)熱器的入口煙溫比未安裝脫硝裝置的設(shè)計(jì)溫度略有降低。而溫度降低的幅度多數(shù)都是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)獲得，約下降5℃左右[1]，并沒(méi)有從理論上定量獲得溫度的變化情況。因此，本文針對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)，包括脫硝反應(yīng)器及其內(nèi)部煙道的熱量平衡進(jìn)行了詳細(xì)的熱力學(xué)分析和計(jì)算。

在SCR脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下，反應(yīng)器及其煙道系統(tǒng)中的熱量平衡主要涉及四個(gè)方面:脫硝反應(yīng)器中發(fā)生的還原反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱、加入的稀釋空氣的溫升吸熱、反應(yīng)器和煙道的散熱損失，以及反應(yīng)器和煙道部位的漏風(fēng)熱損失。

(1)加入的還原劑在脫硝反應(yīng)器中與煙氣中的NOx氣體發(fā)生還原反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)放熱量與煙氣量以及 NOx氣體濃度有關(guān)，化學(xué)反應(yīng)造成煙氣溫度的升高幅度與反應(yīng)放熱量有關(guān)。

(2)引入的低溫稀釋空氣進(jìn)入煙道內(nèi)與煙氣混合，導(dǎo)致煙氣溫度的降低，稀釋風(fēng)造成煙氣溫度的降低幅度與稀釋風(fēng)量有關(guān)。

(3)由于SCR脫硝反應(yīng)器及其煙道的表面積很大，而且反應(yīng)器工作在300～400℃的溫度區(qū)間，這些都導(dǎo)致散熱損失增大，散熱造成溫度的降低幅度和脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。

(4)脫硝反應(yīng)器及其煙道同樣存在爐墻不嚴(yán)密處漏風(fēng)問(wèn)題，漏風(fēng)不僅引起煙氣容積增大，而且還會(huì)使漏風(fēng)點(diǎn)處的煙氣溫度降低，使后續(xù)傳熱量減小[2]，漏風(fēng)造成溫度的降低幅度與漏風(fēng)量有關(guān)。

由于安裝了脫硝系統(tǒng)導(dǎo)致的溫度變化是上述四種因素的總的效果。通過(guò)以上分析可知，脫硝系統(tǒng)的引入對(duì)排煙溫度和煙氣容積產(chǎn)生影響，而排煙熱損失與這兩個(gè)因素有關(guān)，因此脫硝系統(tǒng)的引入對(duì)排煙熱損失有影響，從而對(duì)鍋爐效率產(chǎn)生影響。

2 SCR脫硝系統(tǒng)熱量平衡的熱力學(xué)計(jì)算

2.1 化學(xué)反應(yīng)放熱導(dǎo)致的煙氣溫升

在脫硝反應(yīng)器內(nèi)，還原劑 (NH3)與NOx氣體發(fā)生以下兩個(gè)主要反應(yīng):

主反應(yīng)1:

主反應(yīng)2:

式中:Q1、Q2分別是主反應(yīng)1和主反應(yīng)2的反應(yīng)熱，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)生成焓計(jì)算確定，分別為Q1=－406.867 kJ/mol，Q2= － 699.594 kJ/mol。

2.1.1 計(jì)算總放熱量

主反應(yīng)1放熱量:

主反應(yīng)2放熱量:

化學(xué)反應(yīng)總放熱量:

式中:Qfy1為主反應(yīng)1的總放熱量，kJ/h;Qfy2為主反應(yīng)2的總放熱量，kJ/h;CNO為煙氣中NO的濃度，mg/Nm3;CNO2為煙氣中NO2的濃度，mg/Nm3;qvg為煙氣的體積流量，Nm3/h;η為脫硝效率，%。

2.1.2 計(jì)算煙氣的定壓比熱容

已知:煙氣各成分的相對(duì)分子量Mi，體積分?jǐn)?shù)φi(%)，溫度為t(℃)。

首先計(jì)算此時(shí)的質(zhì)量定壓比熱容Cmp，y，將SCR系統(tǒng)入口煙氣假設(shè)為理想氣體，根據(jù)理想氣體定壓比熱容的計(jì)算方法，計(jì)算如下:

煙氣的平均相對(duì)摩爾質(zhì)量:

煙氣各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù):

各成分的質(zhì)量定壓比熱容:

式中: α、β、γ、δ、ε 為比熱容方程常數(shù)。

煙氣的質(zhì)量定壓比熱容:

其次計(jì)算煙氣的質(zhì)量Qy，m，煙氣的平均密度:

式中:ρ為煙氣的平均密度，ρi為煙氣各成分的密度。

煙氣在t℃時(shí)的體積q'y與標(biāo)態(tài)下的換算如下:

煙氣的質(zhì)量流量:

根據(jù)熱平衡列出方程:

式中:Δt1為反應(yīng)溫升，℃;Q為兩反應(yīng)總放熱量，kJ/h;Qy，m為煙氣的質(zhì)量流量，kg/h;Cmp，y為煙氣的質(zhì)量定壓比熱容，kJ/(kg·K)。

2.2 稀釋空氣吸熱導(dǎo)致的煙氣溫降

已知稀釋空氣入口溫度為t011，SCR系統(tǒng)煙氣溫度為t02，混合穩(wěn)定后煙氣的溫度為 t，稀釋空氣的吸熱等于煙氣的放熱，列熱平衡方程如下:

式中:Cmp，k為空氣質(zhì)量定壓比熱容，kJ/(kg·K);Qair為稀釋空氣的質(zhì)量流量，kg/h;Cmp，y為煙氣的質(zhì)量定壓比熱容，kJ/(kg·K);Qy，m為煙氣流量，kg/h。

整理平衡方程計(jì)算得到穩(wěn)定后的溫度為

計(jì)算煙氣的溫降為Δt2=t02－ t。

2.3 反應(yīng)器及其煙道散熱導(dǎo)致的煙氣溫降

典型的尾部煙道布置從里到外可以分為:耐火層，絕熱層，保溫層，保護(hù)板等。由于散熱損失對(duì)脫硝系統(tǒng)的能耗損失影響并不明顯，在進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)時(shí)一般采用單層保溫的方式[3]。假設(shè)脫硝系統(tǒng)煙道由N層保溫材料組成，忽略各層之間的接觸熱阻，利用一維導(dǎo)熱計(jì)算熱流密度，得到脫硝系統(tǒng)部分煙道的散熱損失量。由于脫硝系統(tǒng)SCR反應(yīng)器內(nèi)部分層填充催化劑，因此假設(shè)煙道內(nèi)壁溫度與煙氣溫度相同，不考慮煙道內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響。

假設(shè)煙道內(nèi)壁溫度為t1，煙道外壁溫度為tn，計(jì)算得到各層的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 λ1，λ2，λ3，…，λn，各保溫層的厚度為 δ1，δ2，δ3，…，δn，則:

式中:q為每平方米爐墻的散熱損失，W/m2。

脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器及其煙道的總面積為A，則列出熱平衡方程為

式中:Δt3為散熱導(dǎo)致的溫降，K;A為總面積，m2。

2.4 反應(yīng)器及其煙道漏風(fēng)導(dǎo)致的煙氣溫降

已知煙道漏風(fēng)溫度為t012，SCR系統(tǒng)煙氣溫度為t0

2，混合穩(wěn)定后煙氣的溫度為t'，漏入空氣的吸熱等于煙氣的放熱，列出熱平衡方程如下:

式中:Cmp，k為空氣質(zhì)量定壓比熱容，kJ/(kg·K);Qlf為漏風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/h;Cmp，y為煙氣的質(zhì)量定壓比熱容，kJ/(kg·K);Qy，m為煙氣質(zhì)量流量，kg/h。

整理平衡方程，可得穩(wěn)定后的溫度為

計(jì)算煙氣的溫降為Δt4=t02－ t'。

2.5 SCR脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐排煙熱損失的影響

根據(jù)查閱的大量文獻(xiàn)[1，4，5，6]，脫硝系統(tǒng)出口較入口溫度變化不大，因此本文中主要考慮漏風(fēng)率增加導(dǎo)致的煙氣量增大引起的排煙損失變化。

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排煙熱損失q2等于排煙焓值與進(jìn)入鍋爐的冷空氣焓值的差[2]，計(jì)算式如下:

式中:hpy為排煙的焓，kJ/kg;αpy為煙氣側(cè)空氣預(yù)熱器出口的過(guò)量空氣系數(shù);h0lk為理論冷空氣的焓，kJ/kg;q4為機(jī)械不完全燃燒熱損失，在只考慮漏風(fēng)引起的鍋爐效率變化時(shí)，認(rèn)為q4等其他熱損失不變，可根據(jù)煤種不同選取適當(dāng)?shù)臄?shù)值。

2.5.1 計(jì)算排煙焓hpy

完全燃燒時(shí)鍋爐排煙焓可以用下式計(jì)算[2]:

式中:hpy為排煙焓，kJ/kg;Vgy為干煙氣容積，Nm3/kg;VH2O為水蒸氣容積，Nm3/kg;cH2O為水蒸氣的平均定壓比熱容，kJ/(Nm3·℃);cgy為干煙氣的平均定壓比熱容，kJ/(Nm3· ℃);?py為排煙溫度，℃;hfh為飛灰焓，kJ/kg;

cgy可按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:RO2、N2、O2分別表示干煙氣中三原子氣體、氮?dú)狻⒀鯕獾娜莘e百分?jǐn)?shù)，cRO2、cN2、cO2分別表示三原子氣體、氮?dú)?、氧氣的平均定壓比熱容?/p>

hfh可按下式計(jì)算:

2.5.2 計(jì)算理論冷空氣焓h0lk

理論冷空氣焓可按下式計(jì)算:

式中:V0為理論空氣量，Nm3/kg;ck為1 Nm3干空氣連同其帶入的水蒸氣的平均定壓比熱容，kJ/(Nm3· ℃);tk為空氣溫度，℃。

將上述計(jì)算得到的排煙焓和冷空氣焓代入式(20)中，脫硝前后的過(guò)量空氣系數(shù)大小不同，通過(guò)比較脫硝前后的排煙熱損失，即可得到排煙熱損失的變化 (在計(jì)算中假設(shè)脫硝前后排煙溫度不變)。

2.6 SCR脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐效率的影響

基本可認(rèn)為當(dāng)漏風(fēng)變化不大而保持其他參數(shù)不變時(shí)，q3、q4、q5的值保持不變，灰渣物理熱損失q6可忽略不計(jì)，因此，漏風(fēng)變化導(dǎo)致鍋爐效率變化的表達(dá)式可表示為[7]

從上式可以看出，只要計(jì)算出鍋爐排煙熱損失的變化，就可計(jì)算出鍋爐效率的變化。

3 典型機(jī)組計(jì)算結(jié)果

根據(jù)典型600 MW機(jī)組和某1 000 MW機(jī)組的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了脫硝系統(tǒng)的熱量平衡計(jì)算。計(jì)算中，SCR脫硝系統(tǒng)的脫硝效率為80%，氨逃逸率為3 ppm;600 MW機(jī)組設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤，SCR反應(yīng)器入口NOx濃度為350 mg/Nm3;1 000 MW機(jī)組設(shè)計(jì)煤種為準(zhǔn)格爾煤和印尼煤按1∶1配比的混煤，SCR反應(yīng)器入口 NOx濃度為300 mg/Nm3。在計(jì)算中，分別考慮600 MW機(jī)組在 BMCR、TRL、THA、75%THA、50%THA、40%THA和高加全切等不同負(fù)荷以及1 000 MW機(jī)組在 BMCR、BRL、75%BMCR、50%BMCR、30%BMCR和高加全切等不同負(fù)荷下，SCR反應(yīng)器進(jìn)出口煙氣溫度和鍋爐排煙熱損失的變化情況，過(guò)量空氣系數(shù)、入煤量、排煙溫度等參數(shù)均隨負(fù)荷變化，計(jì)算結(jié)果如下:

3.1 反應(yīng)器煙氣溫度變化計(jì)算結(jié)果

圖1和圖2分別為600 MW機(jī)組和1 000 MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器內(nèi)煙氣溫度隨機(jī)組負(fù)荷的變化情況。從圖中可以看出，負(fù)荷一定時(shí)，在反應(yīng)溫升，稀釋風(fēng)溫降，漏風(fēng)溫降中，漏風(fēng)溫降最大，反應(yīng)溫升次之，稀釋風(fēng)溫降最小;不同負(fù)荷時(shí)，這三項(xiàng)溫度變化都隨負(fù)荷的降低而減小。從圖中還可看出，煙氣經(jīng)SCR反應(yīng)器后，煙氣溫度降低均小于2℃，且隨負(fù)荷的降低而減小。由于反應(yīng)器及其煙道的熱流密度較小，散熱損失在計(jì)算中可忽略不計(jì)。

3.2 排煙熱損失計(jì)算結(jié)果

圖3和圖4給出了600 MW機(jī)組和1 000 MW機(jī)組的排煙熱損失及其隨負(fù)荷的變化關(guān)系。從圖中可以看出，脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐排煙熱損失的影響不大，排煙熱損失變化量均低于0.05%，并且排煙熱損失及其變化值都隨機(jī)組負(fù)荷的降低而減小。在BMCR工況下，排煙熱損失及其變化最高。從排煙熱損失計(jì)算公式上看，高負(fù)荷時(shí)，鍋爐的排煙溫度高，而過(guò)量空氣系數(shù)相對(duì)較小，因此，排煙熱損失相對(duì)較高。同時(shí)，根據(jù)2.6節(jié)分析結(jié)果，脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐效率的影響也低于0.05%。

圖1 600 MW機(jī)組SCR系統(tǒng)煙氣溫度變化圖Fig.1 Temperature variation of SCR unit for 600 MW unit

圖2 1 000 MW機(jī)組SCR系統(tǒng)煙氣溫度變化圖Fig.2 Temperature variation of SCR unit for 1 000 MW unit

圖3 600 MW機(jī)組排煙熱損失變化曲線Fig.3 Heat loss of flue gas for 600 MW unit

圖4 1 000 MW機(jī)組排煙熱損失變化曲線Fig.4 Heat loss of flue gas for 1 000 MW unit

4 結(jié)論

本文主要分析了SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器及其煙道內(nèi)的熱量平衡，分別從化學(xué)反應(yīng)放熱導(dǎo)致的煙氣溫升、稀釋風(fēng)導(dǎo)致的煙氣溫降、反應(yīng)器及其煙道散熱導(dǎo)致的煙氣溫降以及漏風(fēng)導(dǎo)致的煙氣溫降這四個(gè)方面，對(duì)反應(yīng)器及其煙道內(nèi)的溫度分布進(jìn)行了詳細(xì)的熱力學(xué)分析與計(jì)算，同時(shí)分析了SCR脫硝系統(tǒng)對(duì)鍋爐排煙熱損失和鍋爐效率的影響。本文還針對(duì)典型600 MW機(jī)組和1 000 MW機(jī)組的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，獲得了SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器及其煙道內(nèi)溫度分布的具體數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算可知，煙氣經(jīng)脫硝反應(yīng)器后溫度的降低小于2℃，與相關(guān)文獻(xiàn)的工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合[1，4，5，6]; 同時(shí)也獲得了脫硝系統(tǒng)對(duì)排煙熱損失的影響，在BMCR工況下鍋爐排煙熱損失變化0.05%，即鍋爐效率相應(yīng)降低0.05%。由于加裝脫硝系統(tǒng)導(dǎo)致的散熱損失增加和鍋爐漏風(fēng)等情況不可避免，因此，在安裝和運(yùn)行脫硝系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意做好反應(yīng)器的保溫措施以及系統(tǒng)的密封性，以降低系統(tǒng)的能耗損失。

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