脱硝对工业锅炉能源利用效率的影响研究
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摘要：随着经济的快速发展，我国能源消耗量逐年增加，工业锅炉排放的NOx污染物也越来越多。本文通过选择国内某链条炉，就SNCR脱硝对工业锅炉能源利用效率的影响进行研究和分析。
关键词：脱硝;工业锅炉;能源利用效率;SNCR
1 SNCR的技术特点和前景
通过分析我国工业锅炉的结构和运行特点，系统比较各NOx控制技术特点，本文选择SNCR作为现阶段我国燃煤工业锅炉脱硝的还原技术。
SCR的运行成本主要受催化剂寿命影响，当不使用催化剂，在烟温为900℃～1100℃，NH3将NOx还原成N2和水，这种脱硝技术称为SNCR。由于是在高温条件下反应，因此SNCR也称作热力脱硝。NH3和高温烟气接触后，相继发生化学反应。具体的反应方程如下：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
6NO+4NH3→5N2+6H2O
SNCR技术脱硝的过程中，由于高温烟气中含有的O2浓度比NOx浓度高，导致还原性气体大量消耗，脱硝效果较差。此外，SNCR受温度的影响较大，如果烟温超过了1100℃，则氨会发生热分解生成NO，反而造成NO增加;700℃以下时，则反应变缓，会造成氨泄漏，未反应的NH3与烟气中的SO2发生反应生成有黏性的硫酸铵，容易造成堵塞和腐蚀。SNCR脱硝系统一般布置在工业锅炉折焰角与炉膛出口之间的烟气段，这段温度区间恰好处在900℃～1100℃，能使还原剂与烟气中的NOx充分混合反应[4]。
SNCR脱硝技术对锅炉有效锅炉有效利用热量和尾部烟气容积含量均有一定的影响，特别是脱硝化学反应热，还原剂在炉膛内的吸热汽化以及化学反应导致排烟烟气中的气体容积改变等[5]，这些因素会极大的制约锅炉有效利用热量以及排烟损失，从而导致锅炉热效率下降。目前，工业锅炉脱硝技术尚处在研发设计的阶段，开发适应工业锅炉负荷多变的SNCR是技术的关键。
2 链条炉SNCR热平衡分析
2.1 热力计算
以国内某链条炉作为本文研究对象：SHL10-2.5/400型锅炉，额定蒸发量D=10t/h，过热蒸汽压力2.5MPa（表压），过热蒸汽温度tgq=400℃，锅炉给水温度tgs=105℃，锅炉排污率Ppw=5%，冷空气温度tlk=30℃，燃用焦作二类无烟煤，干燥无灰基挥发分Vdaf=4.54%，收到基低位发热量Qar，net=25258kJ/kg，其收到基成分特性见表2-1。空气平衡表见2-2，理论空气量和理论烟气量计算见表2-3。
2.2 还原反应放热量
通常情况下，每MW装机容量对应0.6～1.2m3的催化剂用量，根据反应1和3，每摩尔尿素的脱硝效果是氨水的2倍，为了进一步比较尿素和氨水对锅炉能源利用效率的影响，有必要保证尿素和氨水的脱硝效果相同，因此本文选取每MW对应0.6m3的尿素以及1.2m3的氨，10t/h链条炉装机容量为7MW，故其尿素和氨还原剂的消耗量分别为5.1m3/h和9.2m3/h。
根据标准[3]以及相关的参考文献[1，2]，本文选取质量分数分别为10%的尿素溶液和10%的氨水作为SNCR喷射还原剂溶液。
从表2-4可以看出，虽然氨还原剂单位时间内消耗体积流量是尿素的2倍，但由于氨的气体密度小于尿素，氨的质量流量小，氨水还原反应产生水较多，氮气量相同，反应放热氨大于尿素。
2.3 溶液吸热量
为了与氨水溶液作比较，假设喷入前尿素温度为25℃喷入，尿素的蒸发汽化是变浓度变温的过程，本文假设尿素在145℃时汽化，尿素在25-145℃的熔融汽化热量总共为4158.7kJ/kg，145-190℃定压比热容2.02kJ/kg·℃。氨在25℃汽化潜热为1349.14 kJ/kg，25-190℃定压比热容2.502kJ/kg·℃。喷入的水温按25℃计算，查得25℃时的水焓为90.05kJ/kg，汽化温度按100℃计算，此时的蒸汽焓为2589.43 kJ/kg ，水蒸汽在100-190℃定压比热容1.826kJ/kg·℃。还原剂溶液脱硝的反应参数见表2-5。
从表2-5可看出，由于氨水的质量流量比尿素溶液小，喷入炉膛的氨水溶液相对较少，吸热量也会较少，从而导致尿素溶液总吸热量约为氨水溶液1.93倍。
2.4 锅炉排烟损失
炉膛压力下，排烟温度下的水蒸汽比容为1.998m3/kg，氮气的比容为1.652 m3/kg。脱硝系统引入后锅炉排烟损失变化如表2-6。
从表2-6可看出，炉膛内的尿素溶液含水量大于氨水溶液，故排烟烟气中的水蒸汽容積更大，又由于氮气的容积变化一定，从而导致尿素脱硝的排烟焓值更
高
2.5 锅炉热效率变化
综上所述，可得到SNCR脱硝系统引入对锅炉能源利用效率的影响。脱硝系统引入后锅炉热效率变化见表2-7。 从表2-7可以看出来，工业锅炉使用10%尿素溶液时，对锅炉有效利用热量的影响值为0.4986%，排烟损失增加0.1537%，最终导致锅炉热效率降低0.6791%，大于标准[3]规定的0.5%。使用10%的氨水溶液时，对锅炉有效利用热量的影响值为0.0397%，排烟损失增加0.0895%，最终导致锅炉热效率降低0.1561%，小于标准[3]规定的0.5%。因此，从还原剂对锅炉热效率影响角度分析，使用氨水溶液更为有利，这也与工程实例结果吻合。
3 研究结论
（1）SNCR系统设备简单，投资和运营成本小，占用空间小，炉膛温度和SNCR反应温度相匹配，因而SNCR适用于我国现阶段工业锅炉脱硝。
（2）本文建立了脱硝化学反应热，还原剂在炉膛内的吸热汽化以及排烟烟气中的气体容积改变导致排烟焓增大，排烟损失增加这三个部分的热力学计算模型，比较使用不同还原剂溶液的脱硝系统对锅炉的影响，为实际工程提供一定的技术支持。
（3）以链条燃煤工业锅炉作为热力计算的典型机组，从还原剂对锅炉热效率影响角度分析，使用氨水溶液更为有利，这与工程实例结果吻合。
（4）SCNR脱硝技术的出现会降低工业锅炉能源利用效率，因此需提高机组的运行水平，降低还原剂的使用占比，从而把还原剂对工业锅炉能源利用效率的影响降到最低。
4 进一步工作展望
（1）利用CFD数值模型，精确定位SNCR脱硝的喷射位置，即反应温度窗口的定位，使SNCR脱硝效率最佳。
（2）计算不同变负荷工况下，NOx排放與喷射还原剂量之间的耦合关系，为工业锅炉实际运行提供数据指导。
（3）研究其他工业锅炉炉型的脱硝热平衡计算模型，分析SNCR对不同工业锅炉能源利用效率影响的大小，掌握工业锅炉加装SNCR系统的运行特性，为优化工业锅炉运行提供一定的指导。
参考文献
[1]卢志民.SNCR反应机理及混合特性研究[D].浙江大学，2006.
[2]孙巧玲，沈炯，李益国.基于遗传算法的燃煤电站锅炉整体燃烧优化方法研究.热能动力工程，2004，19（l）：85-88
[3]HJ563-2010，火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性非催化还原法[S].
[4]Takanori Yano， K.K， Kazuhito Sakai （2002） Low NOX Combustion Technologies For Lignite Fired Boilers.
[5]林有胜，马晓茜，黄阔，杨茹，陈庆文.燃煤工业锅炉SNCR脱硝系统热平衡分析[J].工业加热，2013，42（03）：29-32.
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