煙氣脫硝產(chǎn)生的硫酸氫銨對空預器的影響及對策

刁潤麗，趙世偉，劉 嘉

(1. 河南質(zhì)量工程職業(yè)學院 食品與化工系，河南 平頂山 467000；2.中電投平頂山發(fā)電分公司，河南 平頂山 467312)

煙氣脫硝產(chǎn)生的硫酸氫銨對空預器的影響及對策

刁潤麗1，趙世偉2，劉 嘉2

(1. 河南質(zhì)量工程職業(yè)學院 食品與化工系，河南 平頂山 467000；2.中電投平頂山發(fā)電分公司，河南 平頂山 467312)

主要介紹魯陽電廠選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝的工藝過程，簡述硫酸氫銨生成機理，指出硫酸氫銨是引起空預器壓差大的誘因。結合魯陽電廠SCR煙氣脫硝實際運行情況，探討怎樣降低煙氣脫硝過程中生成的硫酸氫銨以及空預器的壓差，為百萬千瓦機組脫硝的穩(wěn)定運行提供參考。

煙氣脫硝；選擇性催化還原法(SCR)； 硫酸氫銨；空預器壓差

0 引 言

隨著國內(nèi)環(huán)保要求的不斷提高，以及國家對人居環(huán)境的重視，要求新安裝機組必須同時安裝脫硝裝置，且現(xiàn)役機組必須2015年底完成脫硝改造，國家發(fā)改委于2013年1月1起承諾兌現(xiàn)脫硝電價，因此燃煤機組安裝脫硝裝置是必然趨勢，長期穩(wěn)定投入運行也是必然要求。新安裝機組煙氣脫硝過程普遍采用選擇性催化還原法(SCR)，SCR煙氣脫硝裝置具有結構簡單，脫硝效率高，運行可靠，便于維護等優(yōu)點，但脫硝裝置的長期投入，也帶來了一系列的問題，特別是空預器阻力增大問題最為突出，因此探討脫硝過程中硫酸氫銨的生成過程及其對空預器造成的影響有重要的意義。

1 魯陽電廠煙氣脫硝過程設計特點及工藝流程

魯陽電廠2×1 000 MW超超臨界燃煤機組積極響應國家政策，設計施工初期同時設計脫硝裝置，同時調(diào)試投入運行，有效減少了向大氣中排放的NOX，降低了對當?shù)丨h(huán)境的污染。

1.1 魯陽電廠脫硝裝置設計特點

魯陽電廠2×1 000 MW鍋爐由東方鍋爐廠生產(chǎn)的超超臨界參數(shù)、變壓直流爐、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天島布置、固態(tài)排渣、全鋼構架、全懸吊、對沖燃燒方式，∏型爐，配套空預器為豪頓公司生產(chǎn)制造，按照同步投運脫硝裝置進行設計，空預器蓄熱元件分高溫和低溫兩段，高溫端材質(zhì)為Q235，低溫端材質(zhì)為同等考登鋼，結構形式全部為單元式，可以成組更換。脫硝工程由東方鍋爐集團設計制造，采取選擇性催化還原法(SCR)來達到去除煙氣中NOX的目的，SCR反應器布置在鍋爐省煤器和空預器之間，屬于高溫高塵布置方式，在設計煤種及校核煤種、鍋爐最大工況(B-MCR)、處理100%煙氣量條件下，脫硝裝置入口煙氣中NOx含量450 mg/Nm，脫硝效率不小于70%，脫硝層數(shù)按“2+1”(即兩層運行，預留一層備用)設置。SCR脫硝裝置的部分性能要求見表1。

表1 脫硝裝置性能參數(shù)

SCR系統(tǒng)的主要設備位于SCR區(qū)域，即鍋爐尾部區(qū)域。SCR區(qū)從鍋爐K5柱到SCR的K7柱，每臺機組SCR區(qū)域(包括空預器)占地26.5×70 m。 煙氣在鍋爐省煤器出口處被平均分成兩路，每路煙氣并行進入一個垂直布置的SCR反應器里，即每臺鍋爐配有兩個反應器。在反應器里煙氣向下流過均流器、催化劑層，隨后進入回轉式空氣預熱器、靜電除塵器、引風機和FGD，最后通過煙囪排入大氣。

1.2 魯陽電廠煙氣脫硝工藝流程

魯陽電廠煙氣脫硝工藝采用選擇性催化還原法，即在裝有催化劑的反應器里，煙氣與噴入的氨在催化劑的作用下發(fā)生還原反應，生成無害的N2和H2O，實現(xiàn)脫除氮氧化合物的目的。

還原反應為：

4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O

2NO2+ 4NH3+ O2→ 3N2+ 6H2O

上述反應是在沒有催化劑的情況下，980 ℃左右很窄的溫度范圍內(nèi)進行，但在催化劑的作用下，反應溫度可大大降低[1]，約300～ 400 ℃。

NOX的脫除率由如下公式計算：

ηNox= (NOXin- NOXout)/ NOXin× 100%

式中：ηNox為脫硝效率%；NOxin為反應器進口NOx濃度；NOxout為反應器出口NOx濃度。

還原劑NH3由氨供應系統(tǒng)提供，在位于SCR區(qū)域的混合器中與稀釋空氣混合并被稀釋至安全濃度(5%體積濃度以下)，然后通過氨注射柵格噴入SCR反應器的入口煙道中。氨氣的噴入量滿足機組當前運行負荷條件下脫除NOx的需要量，控制系統(tǒng)通過SCR進出口NOx分析儀測量值計算NH3需要量，并將計算結果反饋給氨流量調(diào)節(jié)閥以控制氨的供給量。

氨/空氣混合氣體通過氨注射柵格注入到反應器的入口煙道中，與煙氣充分混合后，進入SCR反應器。催化劑的運行溫度范圍為300～400 ℃，當運行溫度高于催化劑的最高溫度限值時，陶瓷材質(zhì)的蜂窩式催化劑將發(fā)生燒結和脆裂；當運行溫度低于催化劑的最低溫度限值時，容易生成硫酸氫銨，生成的硫酸氫銨附著在催化劑表面將堵塞催化劑孔，導致催化劑活性降低，影響脫硝效率。催化劑的最低運行溫度與煙氣中NH3和SO3的濃度有關，兩者濃度越高，催化劑的最低運行溫度限值越高。SCR最低運行溫度必須高于催化劑的最低運行溫度限值，否則停止噴入氨，停運SCR裝置。完成脫硝反應后的凈煙氣進入下級空預器設備。催化劑采用蜂窩式催化劑，主要活性成分為TiO2和V2O5，并加入少量的WO3，設計采用東方鍋爐與德國KWH公司的合資企業(yè)——東方凱特瑞環(huán)保催化劑有限責任公司(簡稱DKC)生產(chǎn)的蜂窩式催化劑。

反應器每層催化劑上方設有耙式蒸汽吹灰器，吹掃介質(zhì)為過熱蒸汽。根據(jù)反應器中催化劑層的壓降變化情況，可調(diào)整吹灰頻率，一般為3次/d。

2 硫酸氫銨形成過程及對空預器的影響

2.1 SCR過程中硫酸氫銨的形成

鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，催化劑中的活性組分在催化降解NOX過程中，也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，SO2的氧化率與V2O5含量關系如圖1所示(相對氧化率是指不同V2O5含量的催化劑硫氧化速率與某基準V2O5含量的催化劑硫氧化速率之比)。由此可見SO2的氧化率隨活性成分V2O5含量增加而上升[2]，其反應式如下：

圖1 SO2的氧化率與V2O5含量關系

V2O5+ O2→ V2O4+ SO3

SO3+ O2+ V2O4→ 2VOSO4

2VOSO4→ V2O5+ SO2+ SO3

鍋爐系統(tǒng)的SO2將轉化為SO3，二者之間的轉化是溫度的函數(shù)，隨著溫度的升高SO2的氧化率增加，SO3含量增加將形成的硫酸蒸汽在空預器冷段凝結，腐蝕空預器受熱面。脫硝過程中由于氨的不完全反應，氨逃逸是難免的，脫硝系統(tǒng)長時間運行催化劑模塊坍塌損壞將造成氨逃逸率大幅增加，損壞的催化劑模塊如圖2所示。

圖2 損壞的催化劑模塊

反應生成的SO3進一步同煙氣中逃逸的氨反應生成硫酸氫銨和硫酸銨，其反應如下：

NH3+SO3+HO2→ NH4HSO4

NH3+ SO3+ HO2→(NH4)2SO4

硫酸銨[(NH4)2SO4]在450 ℃以下為固體粉末，且在氨氣殘余量很大時才大量生成， 因此，正常運行的脫硝過程中硫酸銨生成量很少，對空預器幾乎沒有影響。

2.2 硫酸氫銨的特性及對空預器的影響

硫酸氫銨[NH4HSO4]在通常脫硝運行溫度下，露點為147 ℃，從氣態(tài)向液態(tài)轉變的溫度區(qū)間正好在流經(jīng)空預器部分的煙氣溫度區(qū)間內(nèi)，煙氣中已生成的氣態(tài)硫酸氫銨會在空預器冷段的熱元件凝結下來，液態(tài)硫酸氫銨是一種粘性很強的物質(zhì)，在煙氣中粘結飛灰，而硫酸氫銨的反應生成溫度一般在150～200 ℃范圍內(nèi)，這一溫度段正好在空氣預熱器的低溫段[3]，因此造成空預器冷端積灰嚴重，進而影響空預器的正常運行，空預器冷端積灰情況如圖3所示。

圖3 空預器冷端蓄熱面積灰

當硫酸氫銨從煙氣中吸水后也會造成設備腐蝕，主要表現(xiàn)為點狀電化學腐蝕，分布從空預器冷端向上600～900 mm范圍內(nèi)(隨空預器工作溫度情況而變化)。測試結果表明當氨逃逸率在1 ppm 以下時，硫酸氫銨生成量很少，空預器堵塞情況不明顯，若逃逸率增加到2 ppm，空預器運行半年后阻力增加約30%，若逃逸率增加到3 ppm以上，空預器運行半年后阻力增加約50%，對引風機也會造成較大影響。因此，在脫硝過程中要嚴格控制氨的逃逸率， 控制硫酸氫銨的生成。硫酸氫銨在低溫下具有吸濕性，如果在低溫催化劑上形成，會造成催化劑堵塞，增大催化劑層壓降甚至造成催化劑失效。

3 魯陽電廠SCR煙氣脫硝實際運行情況分析

發(fā)改委承諾2013年1月1日起在全國范圍內(nèi)兌現(xiàn)脫硝電價。2012年12月31日起，公司脫硝系統(tǒng)將脫硝效率提高至70%，一個月來，造成空預器壓差增加，風煙系統(tǒng)阻力增加，高負荷工況下爐膛負壓冒正，廠用電率上升。脫硝投運前后比較如下。

表2 電量、煤質(zhì)、綜合廠用電、發(fā)電廠用電比較

表3 #1爐投脫硝前、后空預器壓差比對

分析：在80%以上負荷工況，#1爐空預器投脫硝前后空預器一次風、煙氣側壓差增加了300 Pa 左右。

表4 #2爐投脫硝前、后空預器壓差比對

分析：在80%以上負荷工況，#2爐空預器投脫硝前后空預器一次風、煙氣側差壓增加了600 Pa 左右。

表5 #1爐投脫硝前、后輔機單耗比對(占廠用電率的%)

表6 #1、2爐投脫硝前、后機組日均負荷、排煙、氧量情況

分析：綜合表5、表6可以看出：投入脫硝后由于空預器壓差增加的影響，風煙阻力增加，尤其是一次風機和引風機單耗增加較多，總計使廠用電率增加0.24%，排除高負荷階段引風機幫助增壓風機出力較多以及運行調(diào)整等因素，僅空預器壓差使廠用電率增加約0.12%，同時#2 爐排煙溫度明顯有所上升，嚴重影響到整個機組的經(jīng)濟性。

4 結束語

從魯陽電廠SCR脫硝裝置實際運行情況來看，空預器的壓差增加無法避免，但#1爐和#2爐情況不同，#2爐壓差明顯比#1爐的大，但是實際運行中空預器的壓差是可以控制的，主要采取以下措施：

(1)低負荷情況下，嚴格控制氨逃逸率，減少硫酸氫銨的生成。后期改造可考慮設置SCR調(diào)溫旁路，提高反應溫度，投運SCR時，空預器進口煙氣溫度控制在290 ℃以上即可達到良好的效果。

(2)控制氨逃逸率和SO2氧化率，抑制硫酸氫銨的生成。利用停爐檢修機會對損壞的催化劑模塊進行更換，長時間運行催化劑模塊坍塌損壞將造成氨逃逸率大幅增加。

(3)脫硝系統(tǒng)和空預器及時吹灰，正常運行中保持脫硝系統(tǒng)每24 h吹灰一次，空預器8h吹灰一次，即可達到良好的清理脫硝系統(tǒng)和空預器積灰的效果。

(4)利用停機時間對空預器進行水沖洗，當空預器煙氣側阻力大于設計值的1.5倍時，投用在線高壓水洗；在機組檢修停爐期間，投用離線高壓水洗，來保持換熱元件的清潔。

(5)對空預器進行改造，空預器低溫蓄熱面更換為搪瓷鍍層換熱元件，將有效降低硫酸氫銨空預器換熱元件的生成速率。

[1] 王 斌. SCR脫硝技術及其在燃煤電廠中的應用[J]. 電力科學與工程，2003(3)：61-63.

[2] 馬雙枕，金 鑫，孫云雪，等. SCR煙氣脫硝過程硫酸氫銨的生成機理與控制[J]. 熱力發(fā)電，2010，39(8)：13-16.

[3] 朱珍平，胡成南. 我國火電廠氮氧化合物控制技術[J]. 中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2005(8)：25-27.

The Effect of Ammonium Bisulfate in SCR Flue Gas Denitrification Process and Solution for Air Preheater

DIAO Run-li1，ZHAO Shi-wei2，LIU Jia2

(1. Food and Chemical Engineering Department, Henan Quality and Engineering Vacational College，Pingdingshan 467000，Henan Province, China；2. CPI Henan Company Pingdingshan power branch, Pindingshan 467312, Henan Province, China)

The technical process of selective catalystic reduction (SCR) denitrification of Luyang Power Plant has been mainly introduced. Remained ammonia reacting with the sulfur trioxide and formed the Ammonium Bisulfate,cause the high pressure of air preheater. According to the denitrification of LuYang Power Plant, the measures for controlling formation of ABS and the pressure of air preheater have been put forward. The situation can provided valuable experiences and datas for the running of 1000 MW units.

Flue gas denitrification; The selective catalystic reduction (scr); The ammonium bisulfate; The pressure of air preheater

2015-03-07

2015-03-19

刁潤麗(1981-)，女，碩士，講師，主要從事能源化工方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.04.006

TK227.2

B

1009-3230(2015)04-0020-04