選擇性催化還原煙氣脫硝技術在漳山發(fā)電有限責任公司的應用

肖瑞崗，王治虎

(漳山發(fā)電有限責任公司，山西 長治 046021)

0 引言

隨著環(huán)保要求的不斷提高以及環(huán)保新技術的發(fā)展，GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標準》已經不能適應新形勢下的環(huán)保要求。新國標GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》已于2012年1月1日實施，新標準中NOx排放值要求更為苛刻，原來沒有煙氣脫硝處理裝置或僅僅依靠低氮燃燒技術降低NOx排放量的電力企業(yè)，NOx排放已經不能滿足要求。在這種情況下，煙氣脫硝就成為各大電廠降低NOx排放的手段。

1 煙氣脫硝技術

1.1 煙氣脫氮技術

煙氣中的氮氧化物主要包括燃料型、熱力型和快速型3種，其中燃料型占75% ～90%。目前常用的煙氣脫氮技術主要分為2大類:燃燒控制技術和煙氣脫硝技術。燃燒控制技術主要包括燃燒優(yōu)化、調整;低過量空氣燃燒技術;空氣分級燃燒;燃料分級燃燒;煙氣再循環(huán);低NOx燃燒器。煙氣脫硝技術主要有選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(SNCR)和選擇性催化還原煙氣脫硝技術(SCR)。

1.2 選擇性催化還原法基本原理

將氨氣與空氣的混合氣體噴入溫度為320～420℃的煙氣中，在催化劑(通常為V2O5)的作用下，NH3被吸附到催化劑活性(V5+)位上并被催化劑中的V=O鍵激活，被激活的N—H鍵具有較強的還原能力，能夠將煙氣中的氮氧化物還原為無毒的N2和H2O，達到脫除氮氧化物的目的。

主要反應式為

2 SCR煙氣脫硝技術的實際應用

2.1 漳山發(fā)電有限責任公司脫硝工藝概況

漳山發(fā)電有限責任公司(以下簡稱漳山發(fā)電公司)二期2×600 MW機組煙氣脫硝采用的是選擇性催化還原脫硝技術，選用液氨為還原劑。在設計煤種、鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況、處理100%煙氣量條件下按脫硝效率不小于90%設計。脫硝工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硝工藝流程

儲氨罐中的液氨由氨蒸發(fā)器蒸發(fā)成氨氣，流量調節(jié)閥控制氨氣流量，氨氣/空氣混合器將氨氣與空氣按19∶1(體積比)的比例混合，混合氣體在氨噴射格柵處噴入煙道內與煙氣均勻混合，在催化劑處進行催化還原反應，去除煙氣中的氮氧化物。

2.2 催化劑

2.2.1 催化劑概況

目前常用的催化劑有3種類型:蜂窩式、板式和波紋板式。漳山發(fā)電公司所用的催化劑為日本日立公司生產的板式催化劑，這種催化劑以二氧化鈦為基，占總質量的40% ～85%，以釩化合物為催化劑。漳山發(fā)電公司脫硝反應室分為左、右兩室，催化劑采用模塊化安裝，每個催化劑模塊規(guī)格為1440 mm×1 881 mm×948mm，質量為1300kg。每個催化反應室安裝156塊(共2層，每層寬度方向安裝13塊，長度方向安裝6塊)體積為313 m3的反應器。

2.2.2 催化劑布置方式

催化劑的布置方式主要分高含塵布置方式和低含塵布置方式。高含塵布置方式是催化劑布置在省煤器和空氣預熱器之間，這種布置方式的優(yōu)點是省煤器與空氣預熱器之間的煙氣溫度為300～400℃，催化劑在這個溫度范圍內有足夠的活性，因此，脫硝效率高;缺點是煙氣中所含的全部飛灰和SO2均要通過催化反應器，催化劑處于“不干凈”的工作條件下，飛灰中的 Na，Ca，Si，As等會使催化劑污染或中毒，從而降低催化劑的效能，使用壽命會受到影響。低含塵布置方式是催化劑布置在布袋除塵器和煙氣脫硫裝置之后，這種布置方式的優(yōu)點是催化劑處在干凈的煙氣之中，不用考慮空氣預熱器和催化劑堵塞;缺點是這個位置煙氣溫度低，需要設置煙氣換熱器(GGH)將煙氣溫度升高到300～400℃，以利于催化還原反應的進行。漳山發(fā)電公司根據自己的實際情況采用高含塵布置方式。

2.3 脫硝裝置運行情況及存在的問題

2.3.1 脫硝裝置運行情況

漳山發(fā)電公司#4機組煙氣脫硝裝置2010年10月調試完成，邀請南京電力設備質量性能檢驗中心對#4機組做了脫硝性能試驗，結果顯示各項參數滿足設計要求。2011年4月和8月，#4機組和#3機組的煙氣脫硝系統(tǒng)分別通過了山西省環(huán)保廳的驗收，隨后2臺機組脫硝設施一直運行。氨氣的噴入量依據入口煙氣中NO的質量濃度和設定的出口煙氣中NO的質量濃度計算得出。設定出口煙氣中NO的質量濃度為100 mg/m3，依據入口、出口煙氣中NO的質量濃度差值與煙氣量計算出NO的總量，再乘以氨氮摩爾比(漳山發(fā)電公司的設計值為0.91)，計算出所需氨氣總量，以此來控制氨氣流量調節(jié)閥。在正常運行期間，當入口NO的質量濃度小于400 mg/m3時，保障出口NO的質量濃度為100 mg/m3左右，液氨的平均消耗量約為200 kg/h。漳山發(fā)電公司某日的脫硝運行曲線如圖2所示。

圖2 脫硝前、后NO的質量濃度(2011年9月)

2.3.2 運行中存在的問題及建議

2.3.2.1 催化劑及空氣預熱器的堵塞

由于漳山發(fā)電公司的催化劑布置方式屬于高含塵布置，這個區(qū)域內含有大量的SO2和煙塵，催化劑可以將 SO2氧化成 SO3，SO3會與 NH3發(fā)生如下反應

生成的硫酸銨、硫酸氫銨會腐蝕下游設備;同時，硫酸氫銨具有較強的黏性，會黏附煙氣中的灰塵沉積在催化劑和空氣預熱器上，造成催化劑和空氣預熱器的堵塞，降低鍋爐經濟性，嚴重時會導致停爐。

要防止此類事故的發(fā)生，首先要嚴格控制氨氣逃逸率，漳山發(fā)電公司氨氣逃逸率設計值為0.003‰。影響氨氣逃逸率的主要因素有:設定的氨氣/氮氣摩爾比高、氨氣反應不完全、噴入的氨氣分布不均、催化劑老化、煙氣溫度低。

如果設定的氨氣/氮氣摩爾比高，噴入的氨氣不能反應完全，未反應的氨氣就會逃逸，所以，設定合理的氨氣/氮氣摩爾比對控制氨氣逃逸率有非常重要的作用。漳山發(fā)電公司的氨氣/氮氣摩爾比設定值為0.91，經過性能測試，可以有效降低氨氣逃逸率。

噴入煙道的氨氣分布不均會導致局部氨氣含量很高，造成氨氣大量逃逸。針對這種情況，漳山發(fā)電公司在每次啟爐前都要檢查氨氣噴射格柵、氨氣/空氣混合器，做氣流分布試驗，以保證氨氣能夠均勻噴入煙道與煙氣均勻混合。

催化劑老化對氨氣逃逸率影響非常大，如果催化劑老化，噴入的氨氣不能被有效利用，就會造成氨氣逃逸。在正常情況下，催化劑的使用壽命一般為20000～24000 h，其老化進程相對緩慢，如果老化較快，要檢查工藝、煙氣成分等是否有問題。

煙氣溫度對硫酸氫銨的生成有至關重要的影響。當煙氣溫度略低于硫酸氫銨的初始生成溫度時開始生成，當煙氣溫度低于硫酸氫銨初始生成溫度25℃時，硫酸氫銨生成反應可完成95%。漳山發(fā)電公司根據實際情況，一般要求控制煙氣溫度在320～400℃，當煙氣溫度低于350℃時停止噴氨氣。這是由于硫酸氫銨的形成是可逆的，當煙氣溫度超過350℃時，硫酸氫銨即可升華。

2.3.2.2 催化劑中毒

煙氣飛灰中存在的堿金屬、砷、CaO都是毒害催化劑的物質，沉積在催化劑上或與催化劑中的活性成分發(fā)生化學反應，會破壞催化劑的活性。

堿金屬能夠與催化劑的活性成分直接發(fā)生反應，占據催化劑活性位，阻止氨在催化劑吸附，造成催化劑活性的損失，其中Na和K是最主要的2類。催化劑堿金屬中毒原理如圖3所示。

圖3 催化劑堿金屬中毒原理

砷中毒主要是由煙氣中的氣態(tài)As2O3引起的。當燃燒溫度高于1400℃時，煤中所含的As會氧化生成氣態(tài)As2O3滲透進催化劑并且覆蓋其活性部分。在采用飛灰循環(huán)的液態(tài)排渣爐中最容易發(fā)生砷中毒的現(xiàn)象，這主要是因為飛灰要被送回爐內回熔，吸附在飛灰上的As2O3也一同返回，造成了砷的集聚。催化劑砷中毒原理如圖4所示。

圖4 催化劑砷中毒原理

由于As2O3可以與游離氧化鈣反應生成砷酸鈣，對催化劑無副作用，因此，當燃用砷含量較高的煤時，可在煤中添加石灰石提高鈣含量，從而降低砷中毒。但加入石灰石過多又會引起CaO中毒，所以加入的量很難控制。

CaO中毒是指煙氣中的CaO附著在催化劑表面，與煙氣中的SO3反應生成CaSO4，堵塞催化劑活性毛細孔，降低催化劑的活性。

2.3.2.3 氨氣逃逸量的監(jiān)測

氨氣逃逸量的控制是防止催化劑及空氣預熱器堵塞的關鍵，而且氨逃逸量的監(jiān)測需要有最快的響應速度，這樣才能在最短的時間里通過對氨逃逸量的監(jiān)測反饋控制氨的噴入量。電廠氨逃逸監(jiān)測點絕大部分都位于除塵器之前，此處粉塵的質量濃度達到幾千毫克每立方米，甚至幾十克每立方米(漳山發(fā)電公司催化劑監(jiān)測點煙塵的質量濃度為25～30 g/m3)，在如此高的粉塵環(huán)境中，采用抽取式測量方法會有很大的維護量，并且抽取預處理系統(tǒng)延遲了響應時間，所以，一般采用光譜原理的插入式直接測量方法。但由于SCR煙氣脫硝技術要求的氨氣逃逸率一般都小于0.003‰(SNCR相對大一些，達0.010‰以上)，這就要求氨氣檢測儀精度非常高。在如此惡劣的環(huán)境下要求很高的精度，這樣的分析儀要么達不到要求，要么很貴。漳山發(fā)電公司也存在氨氣逃逸量測量不準的問題，通常采取的辦法是降低氨氣/氮氣摩爾比，減少噴按量以降低氨氣逃逸量，當然這是以犧牲脫硝效率為代價的。

3 結束語

煙氣脫硝技術在新建電廠已經廣泛使用，老電廠的脫硝改造也勢在必行。在實際運行中如何保證脫硝系統(tǒng)運行安全，防止催化劑中毒和硫酸氫銨、硫酸銨對設備的腐蝕，提高脫硝效率，降低運行成本，有待于每個企業(yè)根據自己的實際情況去探索和實踐。

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