SCR脫硝系統(tǒng)性能及空氣預(yù)熱器阻力上升分析

大氣網(wǎng)訊:摘要：NOx排放濃度、氨逃逸濃度難以控制及空氣預(yù)熱器阻力上升，是SCR脫硝系統(tǒng)超低排放改造中遇到的主要問(wèn)題。以某SCR脫硝系統(tǒng)超低排放改造后的300MW機(jī)組為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)試得知：

（1）SCR反應(yīng)器出口NOx分布不均，氨逃逸濃度超標(biāo)嚴(yán)重，氨逃逸監(jiān)測(cè)表計(jì)示值不具代表性，造成NOx排放濃度控制困難和空氣預(yù)熱器阻力上升；

（2）過(guò)度追求NOx超低排放濃度，造成催化劑活性、主要化學(xué)成分明顯衰減，硫酸氫銨在其表面沉積嚴(yán)重。

對(duì)此提出的改進(jìn)措施為：進(jìn)行NOx濃度煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）多點(diǎn)取樣改造，定期進(jìn)行噴氨優(yōu)化和催化劑性能檢測(cè)，以改善SCR系統(tǒng)運(yùn)行效果和提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

引言

超低排放是燃煤電廠控制污染物排放的有效手段，目前全國(guó)范圍內(nèi)300MW級(jí)及以上常規(guī)燃煤火電機(jī)組大部分已進(jìn)行了超低排放改造，實(shí)現(xiàn)了超低、達(dá)標(biāo)排放，煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，污染物減排已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。超低排放改造正在延伸到循環(huán)流化床、小火電機(jī)組及鋼鐵、石化等非發(fā)電領(lǐng)域。中國(guó)的煤電煙氣協(xié)同治理技術(shù)應(yīng)用時(shí)間較短，超低排放的改造、驗(yàn)收、運(yùn)行、維護(hù)和管理經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足。燃煤電廠完成超低排放改造任務(wù)后在實(shí)際運(yùn)行中存在著一些缺陷，尤其在SCR脫硝方面問(wèn)題較多，如煙氣流場(chǎng)均勻度不良、自動(dòng)噴氨裝置（AIG）噴氨分配不佳、空氣預(yù)熱器堵塞、催化劑磨損與中毒、低溫省煤器和引風(fēng)機(jī)葉片積灰等，嚴(yán)重影響NOx排放濃度的控制和超低排放環(huán)保電價(jià)的獲取，同時(shí)對(duì)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也產(chǎn)生了重大影響。

本文以安徽省某臺(tái)320MW亞臨界超低排放改造機(jī)組SCR脫硝裝置（簡(jiǎn)稱SCR）為研究對(duì)象，應(yīng)用多種手段對(duì)該機(jī)組超低排放后SCR出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行研究，找出原因所在，提出解決方案。

1NOx超低排放改造及存在問(wèn)題簡(jiǎn)述

1.1SCR脫硝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某燃煤電廠6號(hào)機(jī)組鍋爐為四角切圓燃燒方式，燃煤為淮南煙煤。鍋爐脫硝采用SCR工藝，以尿素作為還原劑。SCR催化劑按2+1層布置，上層為預(yù)留層，催化劑為蜂窩式，脫硝效率不小于89%。SCR脫硝超低排放改造中加裝158m3蜂窩式備用層催化劑及配套吹灰系統(tǒng)，改造后的SCR系統(tǒng)于2016年12月26日投運(yùn)。

1.2脫硝裝置運(yùn)行中的問(wèn)題

某燃煤電廠6號(hào)機(jī)組自超低排放改造后投運(yùn)至今，A、B側(cè)空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）出口煙氣壓力一直在增加，且在2017年12月以后增速加快。A、B側(cè)空預(yù)器進(jìn)出口差壓急劇增長(zhǎng)，其中A側(cè)差壓從1356Pa上升到5027Pa；B側(cè)差壓從699Pa上升到4315Pa（見(jiàn)圖1），造成空預(yù)器堵塞，引風(fēng)機(jī)電耗增加、喘振失速等問(wèn)題，嚴(yán)重影響脫硝機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1近一年半以來(lái)某電廠6號(hào)機(jī)組空預(yù)器A、B側(cè)進(jìn)出口煙氣壓力變化

此外，該機(jī)組從2018年1月開(kāi)始，總排放口NOx排放濃度控制出現(xiàn)困難（見(jiàn)圖2）。2017年1—12月總排放口NOx質(zhì)量濃度基本能控制在13.61mg/m3（標(biāo)干，6%O2，下同。圖2中空缺表示機(jī)組全月停機(jī)），而2018年1—5月NOx排放質(zhì)量濃度逐漸上升，達(dá)到24.88mg/m3，且脫硝還原劑尿素的用量一直在增加。

圖2近一年半以來(lái)6號(hào)機(jī)組總排放口NOx月均排放質(zhì)量濃度CEMS監(jiān)測(cè)值

2試驗(yàn)條件及相關(guān)測(cè)試儀器

2018年1月16—17日，對(duì)該機(jī)組開(kāi)展相關(guān)測(cè)試和診斷分析。測(cè)試期間保證負(fù)荷穩(wěn)定（波動(dòng)幅度不超過(guò)±5%）、煤種不變、脫硝系統(tǒng)及配套設(shè)施正常運(yùn)行。SCR系統(tǒng)A、B側(cè)測(cè)試期間平均負(fù)荷分別為286MW、290MW。測(cè)試內(nèi)容主要為NOx濃度、氨逃逸濃度、氧量、溫度、氨逃逸在線儀表示值、空預(yù)器壓力、催化劑活性和主要化學(xué)成分等，并對(duì)CEMS在線數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。所采用的測(cè)試儀器包括NOVAplus煙氣分析儀（德國(guó)名優(yōu)公司產(chǎn)）、M-NH3便攜式氨逃逸濃度分析儀（加拿大優(yōu)勝公司產(chǎn)）、X射線熒光光譜儀（德國(guó)斯派克公司產(chǎn)）、BLOOMING催化劑活性評(píng)價(jià)裝置（北京波露明公司產(chǎn)）等。

3脫硝裝置出口NOx濃度分布及分析

此次NOx測(cè)試采用網(wǎng)格法測(cè)量，SCRA、B側(cè)測(cè)孔分別記為A1~A6和B1~B6，測(cè)量深度分別為0.75m、1.50m、2.25m和3.0m，測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3某電廠6號(hào)機(jī)組SCR反應(yīng)器A、B側(cè)出口NOx濃度分布

某電廠6號(hào)機(jī)組SCR反應(yīng)器出口測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由圖3和表1可知：

（1）SCRA側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度最大值為33.0mg/m3，最小表1SCR反應(yīng)器出口測(cè)試數(shù)據(jù)匯總值為2.0mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差117.70%；B側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度最大值為42.0mg/m3，最小值為6.0mg/m3，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為58.89%。兩反應(yīng)器出口的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15%的設(shè)計(jì)值。

表1SCR反應(yīng)器出口測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

（2）A側(cè)CEMS測(cè)點(diǎn)所得結(jié)果不能代表其斷面的NOx濃度。NOx濃度沿反應(yīng)器寬度方向（反應(yīng)器外側(cè)至鍋爐中心線），A、B側(cè)明顯呈外側(cè)低而內(nèi)側(cè)高現(xiàn)象，其中測(cè)孔A1~A4、B5、B6的NOx質(zhì)量濃度很低，只有2~7mg/m3，認(rèn)為是噴氨過(guò)量導(dǎo)致。此次測(cè)試的深度方向NOx濃度變化不大，因此認(rèn)為相對(duì)于水平方向，垂直深度上噴氨較為均勻。

4脫硝裝置出口氨逃逸濃度分布及分析

某電廠6號(hào)機(jī)組SCR反應(yīng)器出口每個(gè)測(cè)孔氨逃逸測(cè)試時(shí)間為15min左右，氨逃逸測(cè)點(diǎn)測(cè)試深度為1.6m。根據(jù)圖3，氨逃逸測(cè)點(diǎn)選擇NOx濃度高、中、低不同區(qū)域，即A2、A4、A6和B2、B4、B6。取這些測(cè)孔NOx濃度平均值，將其與氨逃逸濃度值共同繪于圖4。試驗(yàn)期間，6號(hào)機(jī)組A、B側(cè)在總尿素溶液流量分別為243L/h時(shí)和259L/h時(shí)，煙道6個(gè)測(cè)孔氨逃逸濃度均超過(guò)設(shè)計(jì)值，即脫硝裝置A側(cè)出口NH3逃逸質(zhì)量濃度平均值為13.99mg/m3，B側(cè)出口NH3逃逸質(zhì)量濃度平均值為6.76mg/m3，均超過(guò)2.28mg/m3的設(shè)計(jì)上限值。分析認(rèn)為，這應(yīng)與A、B側(cè)脫硝效率過(guò)高有關(guān)，一般隨著脫硝效率的增加，氨逃逸濃度會(huì)急劇增加。測(cè)試期間SCR系統(tǒng)A、B側(cè)入口平均NOx質(zhì)量濃度分別為439.07mg/m3、469.99mg/m3，出口NOx質(zhì)量濃度分別為14.31mg/m3、19.39mg/m3，平均脫硝效率分別為96.73%、95.87%，均高于不低于89%的設(shè)計(jì)要求。

圖4某電廠6號(hào)機(jī)組SCR出口NOx質(zhì)量濃度與氨逃逸質(zhì)量濃度關(guān)系

一般，SCR出口氨逃逸濃度與脫硝效率呈正相關(guān)，與出口NOx濃度呈反相關(guān)，圖4結(jié)果恰恰反映了這一觀點(diǎn)，即在A2、A4、B4、B6監(jiān)測(cè)點(diǎn)，氨逃逸質(zhì)量濃度非常高，最高達(dá)到32.91mg/m3，對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的NOx質(zhì)量濃度非常低。

某電廠6號(hào)機(jī)組SCR反應(yīng)器出口A、B側(cè)氨逃逸在線表計(jì)為西門(mén)子LDS6氨逃逸激光分析儀，分別安裝在A、B反應(yīng)器出口外部角落位置。測(cè)試期間，DCS上顯示氨逃逸表分析儀數(shù)據(jù)無(wú)較大的變化，分別為1.73mg/m3、0.72mg/m3左右。通過(guò)查閱該電廠DCS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，近一年多來(lái)A、B側(cè)在線氨逃逸數(shù)據(jù)也在這一區(qū)間且波動(dòng)很小。分析認(rèn)為其原因應(yīng)為催化劑吹灰振動(dòng)、高含塵工況不穩(wěn)定，造成原位對(duì)穿測(cè)量激光投射率低，且在線表計(jì)安裝在角落位置，該位置也是煙氣流速較低和噴氨量相對(duì)較低區(qū)域。上述DCS數(shù)據(jù)與表1、圖4中測(cè)試的氨逃逸數(shù)據(jù)嚴(yán)重不符，給電廠運(yùn)行人員錯(cuò)誤信息，誤以為該機(jī)組SCR脫硝裝置經(jīng)過(guò)超低排放改造，在NOx95.0%以上脫除率情況下，各項(xiàng)性能指標(biāo)也運(yùn)行良好。特別需要指出的是，該電廠在年終環(huán)保因子排名考核的壓力下，于2017年下半年主動(dòng)加壓，將總排放口NOx質(zhì)量濃度控制在個(gè)位數(shù)以內(nèi)，如2017年12月NOx月均質(zhì)量濃度僅為9.9mg/m3。從圖1也可以看出，2017年下半年該機(jī)組A、B側(cè)空預(yù)器出口煙氣阻力增長(zhǎng)速率明顯加快。SCR脫硝裝置長(zhǎng)期在過(guò)量噴氨下運(yùn)行，給機(jī)組SCR脫硝催化劑、下游空預(yù)器、低溫省煤器、電除塵器和引風(fēng)機(jī)均帶來(lái)嚴(yán)重的不良影響，造成催化劑失活、空預(yù)器堵塞、電除塵器收塵板結(jié)垢、引風(fēng)機(jī)葉片結(jié)垢和低溫省煤器集灰等。

5NOx穩(wěn)定超低排放策略

燃煤電廠機(jī)組在進(jìn)行超低排放改造后脫硝裝置運(yùn)行控制困難增大，極易出現(xiàn)NOx排放濃度不達(dá)標(biāo)或氨逃逸超標(biāo)，造成其下游設(shè)備如空預(yù)器、引風(fēng)機(jī)硫酸銨鹽沉積和腐蝕加劇等問(wèn)題。制訂合理的燃煤電廠NOx大氣污染物排放控制指標(biāo)并為電廠運(yùn)行人員提供科學(xué)依據(jù)顯得尤為重要，以下仍以某電廠6號(hào)機(jī)組為例，對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析。

某電廠6號(hào)機(jī)組超低排放改造前后SCR出口數(shù)據(jù)對(duì)比和催化劑活性、主要化學(xué)成分對(duì)比結(jié)果如表2和表3所示。

由表2可見(jiàn)，該機(jī)組超低排放改造后，脫硝系統(tǒng)脫硝效率明顯提高，NOx濃度平均水平整體減小，但是過(guò)量噴氨和出口NOx濃度值過(guò)低，在一定程度上加劇了氨逃逸濃度高和反應(yīng)器出口NOx分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大問(wèn)題。

表2某電廠6號(hào)爐超低排放改造前后脫硝出口數(shù)據(jù)對(duì)比

表3某電廠6號(hào)機(jī)組超低排放改造前后催化劑活性和主要化學(xué)成分對(duì)比

脫硝催化劑是脫硝技術(shù)的核心之一，對(duì)超低排放改造前后不同運(yùn)行時(shí)間催化劑的活性和主要化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試。由表3可見(jiàn)：作為催化劑的載體和活性成分TiO2、WO3和V2O5的含量在運(yùn)行一段時(shí)間后明顯降低，而SO3有較大程度的增加；超低排放改造后，催化劑脫硝效率和活性也明顯降低，一些物質(zhì)的含量改變速度加快，尤其SO3的增加最為明顯。這些結(jié)果與前面分析的噴氨不均和氨逃逸濃度嚴(yán)重超標(biāo)相呼應(yīng)。此外，亞微米顆粒物的主要礦物元素K、As容易富集在催化劑微孔道中，其可能造成催化劑脫硝活性降低。

當(dāng)前，中國(guó)燃煤電廠在完成超低排放改造后，如何正確評(píng)估“超低排放”改造機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行滿足新排放限值的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，設(shè)定合理的煙氣污染物實(shí)際排放控制標(biāo)準(zhǔn)，成為迫切需要解決的問(wèn)題。中國(guó)一些研究者對(duì)此進(jìn)行了分析，如神華集團(tuán)針對(duì)典型“近零排放”機(jī)組燃用低硫、低灰和高揮發(fā)分的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力神華煤時(shí)，在SCR入口NOx質(zhì)量濃度為200~250mg/m3情況下，考察了大氣污染物煙塵、SO2和NOx的排放質(zhì)量濃度和排放績(jī)效等特征，提出了更加契合綠色發(fā)展生態(tài)環(huán)保要求的燃煤電廠大氣污染物煙塵、SO2和NOx排放限值，并全面評(píng)估了這些典型“近零排放”機(jī)組在更優(yōu)排放指標(biāo)下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

根據(jù)表2、表3超低排放改造前后對(duì)比分析結(jié)果可知，超低排放改造后SCR脫硝系統(tǒng)面臨著更為嚴(yán)峻的運(yùn)行工況，因此不宜過(guò)分追求過(guò)低的NOx排放濃度。當(dāng)前，超低排放機(jī)組NOx排放濃度的波動(dòng)程度與SO2和煙塵相比偏大，如追求較為平穩(wěn)且過(guò)低的排放濃度，氨逃逸濃度很可能急劇增加。原因是NOx主要依靠單一污染物控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)深度脫除，同時(shí)還需適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行工況，如火電機(jī)組深度調(diào)峰，很難根據(jù)監(jiān)測(cè)濃度及時(shí)調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量。根據(jù)安徽省接入節(jié)能發(fā)電調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的95臺(tái)燃煤火電機(jī)組煙氣污染物排放濃度和環(huán)保設(shè)備故障率統(tǒng)計(jì)分析對(duì)于新建機(jī)組和改造機(jī)組，NOx排放濃度分別控制在25mg/m3左右和35mg/m3左右較為適宜。此外，由于SCR出口單點(diǎn)式CEMS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)不具有代表性，超低排放機(jī)組應(yīng)根據(jù)SCR出口處和總排口處NOx濃度測(cè)定數(shù)值相互佐證，以便噴氨量精細(xì)化控制。

對(duì)于某電廠6號(hào)機(jī)組，建議進(jìn)行噴氨優(yōu)化試驗(yàn)，在NOx質(zhì)量濃度控制在35~40mg/m3范圍的前提下，適當(dāng)降低A、B側(cè)脫硝效率至90%左右。同時(shí)相應(yīng)進(jìn)行SCR出口CEMSNOx濃度多點(diǎn)煙氣取樣和矩陣式煙氣取樣改造；加強(qiáng)催化劑活性和主要化學(xué)成分及微量元素分析，一般為半年左右一次，實(shí)時(shí)掌握催化劑的性能參數(shù)。

6結(jié)語(yǔ)

燃煤電廠SCR脫硝裝置運(yùn)行情況，直接關(guān)系著電廠NOx排放及相關(guān)環(huán)保電價(jià)的獲取程度。本文研究結(jié)果表明：超低排放改造后機(jī)組需定期進(jìn)行噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，有必要進(jìn)行NOx濃度多點(diǎn)煙氣取樣和矩陣式煙氣取樣改造，以有效改善SCR運(yùn)行狀況，使出口NOx濃度降低和氨逃逸濃度達(dá)標(biāo)；為緩解空預(yù)器阻力迅速上升及降低催化劑老化速率，不宜追求過(guò)低的NOx排放濃度；同時(shí)，需加強(qiáng)催化劑活性測(cè)試，提高脫硝運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。