选择性催化还原烟气脱硝反应器的变工况运行分析
第28卷第1期 2008年2月
动 力 工 程
Journal of Power Engineering
Vol.28No.1 Feb.2008
收稿日期:2007205210 修订日期:2007207231
作者简介:董建勋(19632),男,高级工程师,博士研究生,主要研究方向为:电站燃烧及其污染控制技术.电话(Tel.):139********;E 2mail :
dong 2jx @https://www.wendangku.net/doc/4b5667562.html,.
文章编号:100026761(2008)0120142205
选择性催化还原烟气脱硝反应器的变工况运行分析
董建勋1, 李永华1, 冯兆兴1, 王松岭1, 李辰飞2
(1.华北电力大学,保定071003;2.国家电站燃烧工程技术研究中心,沈阳110034)
摘 要:建立了选择性催化还原烟气脱硝过程数学模型,对烟气脱硝反应器的变工况参数进行了
计算分析,并研究了反应器入口烟气流量、温度和NO x 浓度等参数变化对脱硝效率和氨逃逸量等参数的影响,为选择性催化还原烟气脱硝反应器的设计和运行提出了建议.关键词:环境科学;火电厂;烟气;选择性催化还原;脱硝反应器;变工况分析中图分类号:X701 文献标识码:A
Operation Analysis of Flue Gas Denitrification Reactors with Selective Catalytic Reduction Under Variable Working Conditions
DO N G J i an 2x un 1
, L I Yon g 2hua 1
, F EN G Zhao 2x i ng 1
, W A N G S ong 2li ng 1
, L I Chen 2f ei
2
(1.Nort h China University of Elect ric Power ,Baoding 071003,China ;
2.National Center of Power Plant Combustion Engineering ,Shenyang 110034,China )
Abstract :A mat hematical model of selective catalytic reduction (SCR )denitrification processes has been established ,wit h which operation parameters of SCR denit rification reactors can be calculated and analyzed under variable working conditions.The influence of variations of parameters ,at reactor inlet ,concerning flue gas flow ,temperat ure and NOx concent ration ,on denit rification efficiency and ammonia slip etc.were investigated.Suggestions for design and operation of SCR denit rification reactors are presented in detail.Key words :environmental science ;t hermal power plant ;flue gas ;selective catalytic reduction ;denit rification reactor ;analysis of variable working condition
火电厂选择性催化还原(SCR )烟气脱硝装置的工艺过程是:在锅炉烟道的烟气中喷入氨(N H 3)或尿素等化学剂,烟气和化学剂充分混合后流经催化反应器(SCR 反应器),在催化剂的作用下,化学剂与烟气中的NO x 发生还原反应,生成氮气(N 2)和水(H 2O ).由于现有的用于燃煤电厂烟气脱硝的催化剂的工作温度范围为300～400℃,相当于锅炉省煤器出口的烟气温度,因此SCR 脱硝反应器安装在锅炉省煤器与空气预热器之间,即所谓的高位布置方式,这是绝大多数SCR 脱硝装置采用的布置方
式.
电厂锅炉在运行过程中,当工况发生变化时,其
尾部烟道中烟气参数(流量、温度、NO x 浓度等)会发生变化,脱硝反应器入口烟气参数随之发生变化,从而脱硝反应器的出口烟气参数(从而性能参数)也会发生变化.本文所说的变工况运行,即指脱硝反应器在入口烟气参数变化情况下的运行.
脱硝反应器的变工况运行特性对其设计和运行具有重要借鉴作用.笔者采用SCR 脱硝反应过程数学模型,对烟气参数变化对脱硝反应器性能参数影
响进行了数值模拟.并根据结果对脱硝反应器的变工况运行特性进行了分析和讨论.
1 反应器运行参数
本文涉及的SCR 脱硝反应器运行参数有:入口烟气参数,出口烟气参数,操作参数和性能参数等(图1).入口烟气参数有烟气流量,温度和NO x 浓度;出口烟气参数有NO x 浓度和氨逃逸;控制参数只有1个,即反应器入口氨的流量;计算参数有脱硝效率和氨氮摩尔比
.
图1 反应器运行参数
Fig.1 Operation parameters of t he reactor
脱硝反应器入口和出口烟气参数和操作参数为可测量参数,在运行过程中需要进行在线连续测量,而性能参数的值是采用其它参数测量值计算得出的.
反应器出口烟气NO x 浓度和氨逃逸必须受到限制,即不能高于规定的上限值,其中出口NO x 浓度的上限值是根据环保法规、电厂锅炉的NO x 排放等因素,经过技术经济分析确定的;氨逃逸是反应器出口烟气中的残余氨的浓度,规定氨逃逸的上限值的原因是:过高的氨逃逸会影响锅炉和脱硝装置的安全和经济运行,需要对脱硝装置运行过程中的氨
逃逸加以限制(根据国外研究结果和工程经验,氨逃逸上限值为3～5μl/l )
[1～4]
.
反应器入口氨的流量是在脱硝反应器运行过程
中需要控制(调节)的量,其作用是:根据入口烟气参数的变化,通过改变反应器入口氨的流量,使反应器出口参数满足一定的条件.
脱硝效率是用来衡量脱硝反应器的脱硝性能的一个重要指标.氨氮摩尔比用于衡量加入脱硝装置的氨的相对数量.
2 数学模型
SCR 烟气脱硝反应是一种气固非均相催化反应过程,根据其反应机理可知,脱硝效率是有关参数的函数[5～8]:
η=η(T g ,C i
NO x
,r ,t )(1) 笔者建立了式(1)函数的数学模型,并用这个模型进行了分析.为节省篇幅,这里不给出模型的细节.
式(1)中的反应时间,即烟气在反应器内的停留时间,与反应器的烟气流量和催化剂体积有关:
t =F g /(ε?V c )
(2) 反应时间和催化剂体积是脱硝反应研究和设计的重要参数,但不是脱硝装置运行中关注的参数,为了便于讨论,没有把它们包括在运行参数中.对于运行中的脱硝装置,催化剂类型和体积不变,因此,反应时间只和烟气体积流量有关.
根据脱硝效率定义,反应器出口NO x 浓度的计算式如下:
C e NO x =C i
NO x (1-η
)(3) 对于SCR 烟气脱硝反应,认为N H 3与NO x 进行化学反应的化学计量比近似为1∶1[6～9],这时氨逃逸可以用下式计算:
s =C i N H 3-η?C i NO x =C i
NO x (r -η)(4) 采用上述各式对烟气参数变化对脱硝反应器性
能参数影响进行了数值模拟.
3 变工况模拟分析
3.1 反应器设计参数
根据SCR 脱硝反应器设计方案进行的模拟分析得到的反应器设计参数示于表1.按照惯例,SCR 脱硝反应器采用的设计工况为锅炉BMCR 工况.
表1 脱硝反应器设计参数
T ab.1 Design parameters of the denitrif ication
reactor
参数
数值
烟气温度/℃
350入口NO x (干基,6%O 2)/μl ?l -1500出口NO x (干基,6%O 2)/μl ?l -1150脱硝效率/%
70氨气逃逸率(干基,6%O 2)/μl ?l -15氨氮摩尔比0.71反应时间/s
0.26
3.2 模拟结果与分析
电厂锅炉在运行过程中,其烟道烟气参数(流
?
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董建勋,等:选择性催化还原烟气脱硝反应器的变工况运行分析
量、温度和NO x 浓度)变化的方式可大体分为3类:
锅炉定负荷运行时烟气参数的波动,锅炉变负荷运行时烟气参数的变化或其它原因造成的烟气参数的变化.
当锅炉在定负荷运行时,烟道烟气参数会围绕其平均值波动.对于特定的锅炉,一般情况下,当锅炉负荷相同时,烟气参数的平均值也基本相同.当锅炉在定负荷运行时,烟气参数中的流量和温度是较为稳定的,不会发生大幅度变化,但NO x 浓度与炉内的燃烧状况密切相关,可能由于燃烧的调整而发生较大幅度的变化.
当锅炉变负荷运行时,锅炉消耗的燃料量和炉膛内烟气温度、受热面的传热状况发生变化,从而使烟道烟气参数发生变化.烟气参数一般的变化趋势是:锅炉负荷降低时,烟气流量、温度、NO x 浓度也随之降低.
其它原因造成的烟气参数变化,是指煤质或煤种、配风方式、锅炉设备状况(漏风、沾污等)等变化时,造成的烟道烟气参数的变化,其中受这些因素影响最大的参数是NO x 浓度,其次是烟气温度,烟气流量受影响最小.
以下对每一个烟气参数单独变化对脱硝反应器性能参数的影响进行了模拟计算.3.2.1 烟气流量变化 这里的烟气流量是指烟气的体积流量.烟气流量变化不能对脱硝反应器性能参数直接产生影响,它是通过反应时间的变化对脱硝反应器性能参数间接产生影响(式(1)).图2是当烟气温度和入口NO x 浓度和氨氮比为设计值时(表1),脱硝效率和氨逃逸与反应时间关系的模拟计算曲线.由于烟气温度不变,烟气体积流量与反应时间一一对应,因此,从图2可以看到烟气流量变化对氨逃逸和脱硝效率的影响
.
图2 脱硝效率和氨逃逸与反应时间的关系
Fig.2 Denitrification efficiency and ammonia slip vs.
reaction time
从图2可以看出,其它参数不变,随着反应时间的增加,脱硝效率逐渐升高,氨逃逸逐渐降低;氨逃逸和脱硝效率在反应时间较短时变化较大,然后趋于平缓,最后接近于定值.当反应时间约为0.26s 时,氨逃逸和脱硝效率达到设计值(表1),反应时间高于0.3s 时,氨逃逸接近零,脱硝效率接近于71%.
当反应时间高于设计值(即烟气流量低于设计值)时,氨逃逸低于设计值,脱硝效率高于设计值.反之,氨逃逸高于设计值,脱硝效率低于设计值,由于氨逃逸限值是必须满足的指标,这时必须降低氨氮比,使氨逃逸不高于设计值,但脱硝效率也会进一步降低. 对于电厂锅炉,一般在BMCR 工况下烟气流量最大,而脱硝装置按此工况设计,所以出现烟气流量大于设计值(反应时间小于设计值)情况的几率较小,因此当烟气流量单独变化时,一般都低于设计工况的烟气流量,脱硝反应器性能参数能够满足设计指标要求.3.2.2 烟气NO x 浓度变化 图3是当烟气温度、反应时间(由于烟气温度不变,反应时间不变代表烟气体积流量不变)、氨氮比为设计值时(表1),入口NO x 浓度对脱硝效率和氨逃逸影响的模拟计算曲线
.
图3 入口NO x 浓度对脱硝效率和氨逃逸的影响
Fig.3 Effect of inlet NO x concentration on denitrification
efficiency and ammonia slip
从图3可以看出,在其它参数不变的情况下,当入口NO x 浓度从设计值(500μl/l )下降时,脱硝效率和氨逃逸均随之下降;当入口NOx 浓度从设计值上升时,脱硝效率和氨逃逸均随之上升.
由于氨逃逸设计限值是脱硝装置运行的强制性指标,根据工程经验,只要氨逃逸不高于其设计限值(此处为5μl/l ),即认为不影响锅炉安全和经济运行;因此当入口NO x 浓度低于设计值时,氨逃逸低于设计限值,这时可适当增大脱硝装置的运行氨氮
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比,在保证氨逃逸不高于其设计限值的条件下,最大程度地增加脱硝效率;同理,当入口NO x 浓度高于设计值时,氨逃逸高于设计限值,这时必须减小脱硝装置的运行氨氮比,保证氨逃逸不高于其设计限值,而脱硝效率相应减小.
图4示出了在其它参数与图3相同、保证氨逃逸为设计值时,氨氮比和脱硝效率与入口NO x 浓度关系的模拟计算曲线.从中可以看出,当入口NO x 浓度低于设计值时,脱硝效率和氨氮比高于设计值;反之,脱硝效率和氨氮比低于设计值
.
图4 保持氨逃逸为设计值时氨氮比和脱硝效率与入口NO x 浓度
的关系
Fig.4 Ammonia to nitrogen molar ratio and denitrification
efficiency vs.inlet NO x concentration wit h ammonia slip kept constant at t he design value
3.2.3 烟气温度变化 从式(1)得知,烟气温度变化从2方面影响脱硝
装置性能参数:一方面,式(1)显含烟气温度作为参量,烟气温度变化直接影响脱硝装置性能参数;另一方面,烟气温度变化导致烟气实际体积流量变化,从而导致反应时间变化,间接影响脱硝装置性能参数.
图5是当入口NO x 浓度、反应时间和氨氮比为设计值时(表1),烟气温度对脱硝效率和氨逃逸影响的模拟计算曲线
.
图5 烟气温度对脱硝效率和氨逃逸的影响
Fig.5 Effect of flue gas temperat ure on denitrification
efficiency and ammonia slip
从图5可以看出,当其它参数不变时,无论烟气
温度从设计值(350℃
)升高还是下降,脱硝效率均下降而氨逃逸均增加,只不过当烟气温度从设计值下
降时,脱硝效率下降(氨逃逸减少)更明显.
根据3.2.2同样的理由,当烟气温度偏离设计值时,氨逃逸高于设计限值,这时必须降低脱硝装置的运行氨氮比,保证氨逃逸不高于其设计限值,而脱硝效率相应减小.
图6是其它参数与图5相同时,保证氨逃逸为设计值时,氨氮比和脱硝效率与烟气温度的关系的模拟计算曲线.从图中可以看出:当烟气温度偏离设
计值时,脱硝效率和氨氮比均低于设计值.
图6 保持氨逃逸为设计值时氨氮比和脱硝效率与烟气温度的关系
Fig.6 Aammonia to nitrogen molar ratio and denitrification
efficiency vs.flue gas temperature wit h ammonia slip kept constant at t he design value
3.3 讨 论
以上给出了每一个烟气参数单独变化对脱硝反应器性能参数影响的模拟计算结果.电厂锅炉在运行过程中,经常会出现烟气各参数(流量、温度和NO x 浓度)同时变化的情况,例如锅炉负荷下降时,
流量、温度和NO x 浓度会同时下降.对于不同的锅炉,烟气各参数同时变化时的变化模式(速率、幅度和范围)各不相同,即使对于同一台锅炉,其变化模式与锅炉运行条件密切相关,也不会一成不变.因此,为节省篇幅,笔者没有对烟气各参数同时变化的情况进行模拟计算,在原理上,针对具体的锅炉,在得到烟气各参数同时变化的变化模式后,采用本文的数学模型和方法可以进行相应的模拟计算.此外,本文没有给出烟气参数变化对反应器出口NO x 浓度影响的数据,根据前面给出的计算结果,并利用式(3)便能得到相应的结果.
4 结 论
对于SCR 脱硝装置的运行,在锅炉运行工况发生变化时,可根据烟气参数的变化,对脱硝装置的控
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制参数(例如氨氮比)进行相应的调节,以保证达到为脱硝反应器性能参数而设定的控制目标(例如为保证锅炉安全经济运行,氨逃逸不能超过设计限值).
对于SCR脱硝装置的设计,反应器催化剂体积(反应时间)是重要的设计参数,为了充分揭示烟气参数变化对反应器性能参数的影响,在本文采用的设计方案中,反应时间的取值使得当反应器在设计入口烟气条件下运行时其性能参数(出口NO x、氨逃逸、脱硝效率)刚好达到设计值.模拟计算结果表明,在锅炉运行工况发生变化时,为保证氨逃逸不超过设计限值而相应减小运行氨氮比时,可能会造成脱硝效率低于设计值或出口NO x高于设计值.当氨逃逸和出口NO x(或脱硝效率)都是必须同时保证的指标时,解决上述矛盾的办法是增加反应器中的催化剂体积(反应时间).原则上,根据给定的烟气各参数的变化范围及对反应器性能参数的要求,采用本文的数学模型和方法可计算出所需的催化剂体积(反应时间).
符号说明
C i NO
x
———反应器入口烟气NO x浓度,μl/l
C e NO
x
———反应器出口烟气NO x浓度,μl/l
C i N H
3———反应器入口烟气N H3浓度,F N H
3
,μl/l
F N H
3
———氨气流量,l/s
F g———烟气体积流量,m3/s T g———烟气温度,℃
V c———催化剂体积,m3
r———反应器入口氨氮摩尔比,C i N H
3/C i NO
x
,—
s———氨逃逸,μl/l
l———反应时间,s
ε———催化剂通流横截面积与催化剂整体横截面积的比率η———脱硝效率,1-C e
NO x/C i NO x×100%
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