低負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略

朱宇翔

(上海申欣環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司，上海200233)

低負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行控制策略

朱宇翔

(上海申欣環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司，上海200233)

分析SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行煙溫的影響因素，煙氣中SO3、NH3的含量是影響SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度的關(guān)鍵因素。根據(jù)影響因素的變化制定低負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行策略，提高SCR脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)率。

影響因素;最低運(yùn)行溫度;動(dòng)態(tài)運(yùn)行策略;投運(yùn)率

0 引言

目前，我國(guó)的環(huán)境形勢(shì)依然嚴(yán)峻，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大氣污染物排放總量居高不下，潛在的環(huán)境問(wèn)題不斷顯現(xiàn)。NOx是大氣治理的主要減排對(duì)象，其中電力行業(yè)的NOx排放約占全國(guó)NOx排放總量的一半以上，而電力行業(yè)排放的NOx80%以上由電站燃煤鍋爐排放。我國(guó)新頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)，明確規(guī)定新建燃煤火力發(fā)電鍋爐NOx(以NO2計(jì))排放濃度必須低于100mg/m3，降低NOx排放的任務(wù)緊迫。

燃煤火電廠通過(guò)爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)結(jié)合爐后的煙氣脫硝系統(tǒng)改造以滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求。目前爐后控制NOx最成熟的技術(shù)是選擇性催化還原(SCR)技術(shù)，在我國(guó)煙氣脫硝技術(shù)中占有重要地位。由于國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組都參與調(diào)峰，經(jīng)常低負(fù)荷運(yùn)行，SCR反應(yīng)器入口煙溫低于催化劑的最佳反應(yīng)溫度窗口，造成低負(fù)荷時(shí)SCR脫硝系統(tǒng)不能正常投用，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)僅通過(guò)低氮燃燒技術(shù)難以達(dá)到NOx排放的要求。通過(guò)增設(shè)省煤器煙氣旁路，省煤器給水旁路，高壓加熱器，省煤器分級(jí)設(shè)置等設(shè)備改造提高低負(fù)荷時(shí)SCR反應(yīng)器的進(jìn)口溫度，從而確保SCR脫硝系統(tǒng)的正常投運(yùn)來(lái)滿足NOx排放達(dá)標(biāo)是目前解決問(wèn)題的途徑之一。本文的目的旨在通過(guò)分析SCR脫硝系統(tǒng)最低連續(xù)運(yùn)行溫度的影響因素，在未進(jìn)行設(shè)備改造來(lái)提高SCR反應(yīng)器入口溫度的前提下，通過(guò)運(yùn)行策略的調(diào)整來(lái)提高低負(fù)荷時(shí)SCR脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)率，從而確保NOx達(dá)標(biāo)排放。

1 低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的影響

1.1 SCR脫硝技術(shù)的原理［1］

SCR脫硝技術(shù)是通過(guò)催化劑在含氧氣氛下，以氨氣作為還原劑注入含NOx的煙氣中，煙氣中的NOx被氨氣還原成N2和水，SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度一般設(shè)計(jì)要求為320℃～420℃之間，因?yàn)楫?dāng)煙氣溫度位于340℃～380℃之間時(shí)，催化劑活性物的活性最高，催化還原反應(yīng)效率最高。鍋爐省煤器后空預(yù)器前的煙氣溫度正好滿足此溫度區(qū)間，這也是SCR布置在該位置的原因。

1.2 低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的影響［2－3］

燃煤機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，常常會(huì)維持在機(jī)組的40%負(fù)荷左右，此時(shí)省煤器的出口煙溫會(huì)低于最低設(shè)計(jì)溫度，當(dāng)煙氣溫度低于最低設(shè)計(jì)溫度(320℃)時(shí)，用于反應(yīng)的NH3會(huì)和煙氣中的SO3反應(yīng)易生成硫酸銨和硫酸氫銨并析出，此時(shí)銨鹽會(huì)對(duì)催化劑活性物微孔進(jìn)行堵塞和加速對(duì)催化劑的磨損，降低催化劑的活性;同時(shí)硫酸氫銨會(huì)粘附在空預(yù)器的冷端并且會(huì)粘住大量煙氣中的飛灰造成空預(yù)器堵塞［4］。綜上所述，當(dāng)進(jìn)入SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度低于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，SCR脫硝系統(tǒng)須退出運(yùn)行。

2 SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度的影響因素

2.1 低溫下的副反應(yīng)及危害

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)，在催化劑作用下，將NOx還原為N2和水的同時(shí)，也會(huì)伴隨著少量SO2被催化氧化成SO3化學(xué)副反應(yīng)。SO3與未反應(yīng)逃逸的NH3在合適的溫度窗口反應(yīng)生成硫酸氫銨和硫酸銨［5］。硫酸氫銨和硫酸銨將堵塞催化劑，引起催化劑活性降低，硫酸氫銨和硫酸銨還將隨煙氣進(jìn)入下游設(shè)備，與飛灰沉積在預(yù)熱器或脫硫GGH換熱元件表面，引起積灰、堵塞和腐蝕。

2.2 SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度的影響因素

硫酸氫銨和硫酸銨是SCR煙氣脫硝中不希望的副產(chǎn)物，生成析出的條件取決于煙氣中的SO3的生成量、未參加SCR脫硝反應(yīng)的NH3的量、煙氣中含濕量，發(fā)生反應(yīng)的溫度窗口［6］。溫度窗口決定了SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行溫度范圍。當(dāng)SO3的生成量及未參加SCR脫硝反應(yīng)的NH3的量無(wú)窮小則SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行溫度范圍就趨向大。

當(dāng)催化劑的性能穩(wěn)定，燃燒工況可控，SCR反應(yīng)器的進(jìn)口NOx濃度在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，SCR反應(yīng)器的噴氨量也在控制范圍，氨逃逸量小于3μL/L(煙氣的含濕量一般變化很小)，則SCR脫硝系統(tǒng)的最低運(yùn)行溫度范圍主要影響因素取決于煙氣中的SO3含量，據(jù)SO3/H2O與硫酸氫銨/硫酸銨形成溫度關(guān)系曲線及相關(guān)公式分別計(jì)算得到煤燃燒過(guò)程中不同SO3含量對(duì)SCR煙氣脫硝最低運(yùn)行溫度的影響，計(jì)算表明，煤燃燒過(guò)程中不同的SO3量對(duì)SCR煙氣脫硝的最低運(yùn)行溫度影響大，最低連續(xù)運(yùn)行溫度變化幅度為50℃。

通過(guò)反應(yīng)機(jī)理的分析可以得知SCR煙氣脫硝中最低噴氨溫度主要取決于煙氣中SO3、H2O和NH3的濃度。對(duì)于燃油機(jī)組，一般硫含量較高且油中含有少量V2O5，燃燒過(guò)程中SO2/SO3轉(zhuǎn)化率相對(duì)比煤高，轉(zhuǎn)化率按2.0%～5.0%考慮，則SCR煙氣脫硝最低運(yùn)行溫度范圍為320℃～335℃。對(duì)于燃煤機(jī)組鍋爐SCR煙氣脫硝裝置，如果在實(shí)際運(yùn)行中可能存在幾個(gè)小時(shí)在最低運(yùn)行溫度以下噴氨運(yùn)行的情況。為消除硫酸氫銨/硫酸銨對(duì)催化劑的影響，之后必須在高于MOT溫度，一般宜在高于350℃或更高的溫度下連續(xù)運(yùn)行1周以上，以便使催化劑表面及微孔中形成的硫酸氫銨/硫酸銨分解掉，從而消除銨鹽對(duì)催化劑活性的影響。

2.3 控制降低SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度的方法

控制SO3的量，其措施主要有控制煙氣中的SO2/SO3絕對(duì)量和SCR煙氣脫硝的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率。SO3量的控制可以采用下述方法:一是選用低硫燃料;二是使用低活性組分、低氧化性能的SCR催化劑，可通過(guò)降低催化劑中的活性組分V2O5含量，降低氧化性能，以控制更低的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率。SCR煙氣脫硝催化劑材料的表面是多孔滲透的，孔的直徑大約0.01μm。NH3在催化劑的表面被吸附進(jìn)入材料，在遞減的溫度和SO3存在的條件下，硫酸氫銨/硫酸銨開(kāi)始形成并吸附著在催化劑表面，催化劑孔被堵塞，催化劑將失去活性。反應(yīng)過(guò)程的速度取決于煙氣中SO2與SO3的濃度、安裝的催化劑體積、催化劑材料和運(yùn)行溫度。

減少未參加反應(yīng)的NH3是減少硫酸氫銨/硫酸銨鹽形成的最常用的方法，可以通過(guò)將SCR反應(yīng)器入口的NH3/NOx的摩爾比降低到0.8～0.9同時(shí)使用足夠的催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 低負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)投運(yùn)率提高的策略

3.1 設(shè)備改造

SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度一般設(shè)計(jì)要求為320～420℃之間，這就有一定的局限性，當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，SCR反應(yīng)器中的煙氣溫度很難達(dá)到320℃，這就導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)不能投運(yùn)。但隨著環(huán)保要求的日益提高，需要全天候的脫硝，此時(shí)就需要對(duì)SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行升級(jí)，全負(fù)荷SCR技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。全負(fù)荷SCR脫硝技術(shù)一般分為兩類:一是催化劑改造為低溫催化劑，使得催化劑能夠滿足低負(fù)荷時(shí)煙氣溫度的運(yùn)行要求［9］;二是提高進(jìn)入SCR煙氣的溫度，控制機(jī)組在任意負(fù)荷下反應(yīng)器中煙氣溫度均在320～420℃之間。

目前，低溫催化劑技術(shù)尚處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，未能實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。采用低負(fù)荷時(shí)提高煙氣溫度的方法，改造方案主要有以下幾種:(1)增加省煤器煙氣旁路;(2)增加省煤器工質(zhì)旁路;(3)省煤器采取分組布置;(4)低負(fù)荷時(shí)提高給水的溫度。

一般情況下，通過(guò)采取以上的改造措施可以確保SCR煙氣脫硝系統(tǒng)全負(fù)荷的投用，但同時(shí)也增加了投資費(fèi)用。風(fēng)煙系統(tǒng)及熱力系統(tǒng)也相對(duì)復(fù)雜，增加了操作的風(fēng)險(xiǎn)(見(jiàn)表1)。

表1 四種全負(fù)荷SCR脫硝系統(tǒng)改造方案對(duì)比［10］

3.2 運(yùn)行策略的調(diào)整

根據(jù)SCR最低運(yùn)行溫度的形成機(jī)理和影響因素，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可通過(guò)運(yùn)行方式的調(diào)整來(lái)提高SCR脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)率。主要包括以下內(nèi)容:

(1)燃燒調(diào)整。低負(fù)荷時(shí)進(jìn)一步降O2燃燒，控制燃燒氧量。停用燃燒器的順序進(jìn)行調(diào)整，盡可能的保持中、上層燃燒器運(yùn)行，同時(shí)調(diào)整燃燒器的擺角，力求火焰中心上移，從而提高省煤器的出口煙溫即SCR反應(yīng)器入口溫度，同時(shí)盡量降低SCR脫硝反應(yīng)器入口的NOx的濃度，從而間接減少SCR脫硝系統(tǒng)的噴氨量，降低氨逃逸量。

(2)SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度的調(diào)整設(shè)置。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，根據(jù)燃煤硫分及時(shí)計(jì)算并調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)最低運(yùn)行溫度，使系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)盡可能的投運(yùn)。在確保NOx排放達(dá)標(biāo)的前提下，根據(jù)SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口NOx濃度適當(dāng)下調(diào)脫硝系統(tǒng)控制效率降低噴氨量并控制氨逃逸量來(lái)保證脫硝系統(tǒng)的安全運(yùn)行。使用動(dòng)態(tài)的投運(yùn)策略，根據(jù)煙氣的的含硫量調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)的最低運(yùn)行溫度范圍，在不進(jìn)行設(shè)備改造的前提下提高SCR脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)率，從而確保NOx的達(dá)標(biāo)排放。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

某發(fā)電廠2×900MW機(jī)組分別于2012年12月與2013年6月先后進(jìn)行脫硝改造，在其超臨界的塔式鍋爐的省煤器與空預(yù)器之間加裝SCR脫硝反應(yīng)器，采用Babcock－Hitachik.K.的催化劑，系統(tǒng)設(shè)計(jì)煙氣處理量2621700m3/h，設(shè)計(jì)脫硝效率80%，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率≤1%。

脫硝系統(tǒng)改造完成后運(yùn)行穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)效率達(dá)到80%，但由于機(jī)組晚間參與調(diào)峰，低谷期間機(jī)組減負(fù)荷后，SCR反應(yīng)器進(jìn)口煙溫會(huì)暫時(shí)低于設(shè)計(jì)最低連續(xù)運(yùn)行溫度320℃，致使SCR脫硝系統(tǒng)無(wú)法投用，該時(shí)段的NOx排放超標(biāo)。脫硝系統(tǒng)投運(yùn)率基本維持在80%～85%。為了盡快解決問(wèn)題，采取SCR脫硝系統(tǒng)動(dòng)態(tài)投用的運(yùn)行策略。根據(jù)燃煤的硫分變化并定期對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行SO2/SO3轉(zhuǎn)化率測(cè)定，檢查催化劑的性能，重新校核SCR脫硝系統(tǒng)最低連續(xù)運(yùn)行溫度。對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)煙溫保護(hù)值加設(shè)SP值設(shè)定模塊，由運(yùn)行人員根據(jù)當(dāng)前燃燒工況和SCR最低連續(xù)溫度計(jì)算表來(lái)設(shè)定脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的煙溫保護(hù)設(shè)定值。通過(guò)采取措施，配合燃燒調(diào)整，脫硝投運(yùn)率達(dá)到100%。

4 結(jié)語(yǔ)

SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的最低連續(xù)運(yùn)行溫度與煙氣中SO3的含量以及未參加SCR脫硝反應(yīng)的NH3量存在一定函數(shù)關(guān)系。根據(jù)燃煤硫分，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率及燃燒調(diào)整，動(dòng)態(tài)的調(diào)整控制SCR脫硝系統(tǒng)在鍋爐低負(fù)荷時(shí)的投運(yùn)率，確保NOx的排放達(dá)標(biāo)是一種切實(shí)可行的方法。

［1］蔣文舉.煙氣脫硫脫硝技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

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Operational strategy of SCR denritication system under low load

Content of SO3，NH3among gas are two main influencing factors of the MOT(the Minimum Operational Temperature)about SCR(Selective Catalyst Reduction)denritication system.It is a way for improving operational percentage of SCR denritication system that make dynamic operational strategy based on variation of influencing factors.

influencing factor;MOT;dynamic operational strategy;operational percentage

X701.7

B

1674－8069(2016)03－046－03

2015-11-21;

2016-01-20

朱宇翔(1972-)，男，上海人，碩士，工程師，主要從事脫硫脫硝工程的建設(shè)、調(diào)試及運(yùn)營(yíng)維護(hù)技術(shù)工作。E－mail:zhuyiren72@sina.com.