淺析SCR對鍋爐設備的影響及對策

楊勇軍

(中國石化集團南京化學工業(yè)有限公司動力部，江蘇南京 210048)

淺析SCR對鍋爐設備的影響及對策

楊勇軍

(中國石化集團南京化學工業(yè)有限公司動力部，江蘇南京 210048)

鍋爐 煙氣 氮氧化物 脫硝 防范措施

1 鍋爐現(xiàn)狀

中國石化集團南京化學工業(yè)有限公司(以下簡稱南化公司)動力部鍋爐尾部煙道設備布置流程為：高溫省煤器—脫硝SCR反應器—高溫空預器—低溫省煤器—低溫空預器—布袋除塵器。

鍋爐脫硝系統(tǒng)采用低氮燃燒器+SCR的工藝路線。該工藝通過低氮燃燒器減少煙氣中NOx生成，為保證催化劑化學反應所需要的最佳還原溫度及安裝空間，對高溫省煤器進行強化換熱改造。在高溫省煤器后增加SCR反應區(qū)，在SCR反應區(qū)入口處增加1組噴氨格柵，向煙氣中噴入氨、空混合氣;再通過催化劑層進行選擇性催化還原反應，達到脫硝目的。

為了能布置SCR部分進出口煙道，對高溫省煤器、上層空預器、低溫省煤器及下層空預器進行改造，騰出空間的同時提高了爐效，確保不因低氮燃燒器改造導致鍋爐整體爐效降低。

低氮燃燒器改造在鍋爐的18.6 m和16.2 m各增加1層燃盡風，同時為保證鍋爐效率，將高溫省煤器和低溫省煤器更換為螺旋翅片管省煤器，高溫空預器改為內(nèi)螺旋管空預器，考慮到硝酸氫銨的存在，低溫空預器下層采用內(nèi)襯搪瓷的空預器。

SCR部分的催化劑采用FN-2G型脫硝催化劑、反應器內(nèi)“2+1”層催化劑設計，目前實裝2層，預留1層位置。按照目前安裝的2層來計算，總催化劑體積為62.1 m3，總質(zhì)量56 t，每層由20個催化劑模塊組成，每組模塊尺寸為1 850 mm×940 mm。

2013年5月南化公司改造1#鍋爐脫硝，10月29日開車，11月6日完成熱態(tài)調(diào)試，投運SCR系統(tǒng)。2014年2月改造2#鍋爐脫硝， 25月15日開車，5月21日完成熱態(tài)調(diào)試，投運SCR系統(tǒng)。2014年6月9日改造3#鍋爐脫硝， 11月14日開車，11月24日完成熱態(tài)調(diào)試，投運SCR系統(tǒng)。

2 脫硝SCR反應原理

2.1 脫硝反應原理主反應

SCR脫硝的還原劑是氨氣，氨氣在脫硝的催化劑作用下主要發(fā)生如下化學反應[1]：

(1)

(2)

經(jīng)過式(1)和式(2)實現(xiàn)了脫除煙氣中氮氧化物的作用，但是在煙氣中NOx是以NO形式存在，在脫硝中是以第一個反應為主的。但是在脫除氮氧化物的過程中會發(fā)生氨氣分解的化學反應[1]：

(3)

(4)

2.2 脫硝反應中的副反應

在煙氣中因為不只存在著氮氧化物，還存在著與硫相關的一些氧化物，在煙道中總會存在一些漏風的情況，或者司爐工在操作燃燒時使煙氣中的含氧量過大，因而在SCR系統(tǒng)下游會發(fā)生一些次級反應[1]：

(5)

(6)

(7)

(8)

這些硫酸銨與硫酸氫銨是非常細的顆粒物，在溫度高于230 ℃時以顆粒狀存在，硫酸氫銨在 180～230 ℃呈液態(tài)且具有很強的黏結(jié)性[1]。

3 脫硝SCR對鍋爐設備運行的影響

3.1 SCR對鍋爐低溫空氣預熱器的影響

低溫空預器進口溫度為260 ℃，出口溫度約140 ℃，由于脫硝中的NH3逃逸導致副反應中生成部分硫酸氫銨，硫酸氫銨黏結(jié)在空預器管線內(nèi)壁，與部分灰分黏結(jié)在一起堵塞空氣預熱器[2]，影響空氣預熱器的換熱效果，降低鍋爐效率。由脫硝反應原理可知：在脫除煙氣中的NOx時會產(chǎn)生很多水分子，當空氣預熱器內(nèi)壁抗腐蝕材料出現(xiàn)脫落或者磨損時，脫硝時存在的硫酸、硫酸氫銨、硫酸銨在黏結(jié)部分水分子會加劇低溫空預器腐蝕速度，腐蝕處一般在空預器管口處。

3.2 SCR對低溫省煤器的影響

1)硫酸銨、硫酸氫銨與鍋爐灰分黏結(jié)形成較大的固體顆粒物，在風機抽吸力作用下，以較大的速度下降，沖擊到省煤器管束，長時間的沖刷對省煤器管束造成巨大磨損，從而導致省煤器泄露。

2)硫酸銨與硫酸氫銨與灰形成的固體黏結(jié)物附著在低溫省煤器管壁與翅片上，造成省煤器內(nèi)部煙氣通道截面積縮小，流經(jīng)省煤器的煙氣流體在這一段的流速增加。流速越大，對管壁的沖擊力越大，磨損程度越厲害。

3)脫硝的次級產(chǎn)物中有水、硫酸銨和硫酸氫銨，這些產(chǎn)物結(jié)合在一起呈強酸性，因而沖刷與化學腐蝕的雙重因素導致省煤器管束運行環(huán)境惡劣。

4)低溫省煤器內(nèi)部流場改變對省煤器的影響：脫硝SCR的次級產(chǎn)物與煙氣作用，其中一部分黏附在高溫空預器底端，另一部分黏附在低溫省煤器管束上。由于灰分堵塞與黏附，煙氣在低溫省煤器內(nèi)部的流道在部分省煤器管束上發(fā)生改變，低溫省煤器內(nèi)部局部流道發(fā)生改變后，局部流場也會發(fā)生相應改變。當煙氣流經(jīng)低溫省煤器內(nèi)部進行熱量交換時，由于灰分的堵塞與黏附改變了正常熱交換的流場，從而導致省煤器局部熱交換流場出現(xiàn)紊流。紊流形成后，煙氣流過省煤器時會對省煤器內(nèi)部某些固定的管束或者部位長期高速沖刷，這種長期高速固定的沖刷降低了省煤器管束壁厚變薄的承壓能力，最終導致省煤器泄漏。

3.3 SCR對布袋除塵器的影響

鍋爐脫硝改造后，鍋爐布袋除塵器的布袋壓差逐漸增大，導致鍋爐不能長周期穩(wěn)定運行。脫硝對鍋爐布袋除塵器內(nèi)部設備的影響如下:① 布袋糊帶嚴重，壓差高增加風機電耗。由于布袋長期運行，脫硝中產(chǎn)生的硫酸銨與硫酸氫銨逐漸黏結(jié)在布袋表面，這些黏結(jié)物黏性比灰大，使布袋透氣性差，從而導致布袋糊帶。② 對布袋使用壽命的影響。布袋在除塵過程中起過濾作用，噴吹的壓縮空氣有助于除去過濾時布袋表面的粉塵。過濾煙塵時，布袋抱緊在布袋內(nèi)部的袋籠架上，在噴吹作用下，壓縮空氣使布袋張開，使黏結(jié)在布袋表面的粉塵脫落。過濾煙塵時，布袋一開始處于收縮狀態(tài)，加上噴吹的壓縮空氣后布袋處于舒張狀態(tài)。在布袋處于舒張狀態(tài)時，部分次級反應產(chǎn)物殘留在布袋的纖維縫隙中，長時間運行會使這些次級反應產(chǎn)物堆積在布袋的纖維里，導致布袋收縮性與舒展性能變差。當這些次級反應產(chǎn)物堆積到一定數(shù)量后，布袋的收縮與舒展功能會逐漸失效，從而減少布袋使用壽命。③ 布袋內(nèi)部袋籠腐蝕加劇。由于次級反應產(chǎn)物的存在，內(nèi)部袋籠表面防護層脫落或出現(xiàn)裂紋，這些次級反應產(chǎn)物加劇內(nèi)部袋籠的腐蝕，被腐蝕的袋籠表面光潔度變差、摩擦力增大、黏結(jié)布袋能力增強，長期運行使布袋黏結(jié)到袋籠上，影響布袋的正常更換以及布袋的清理工作。

4 對鍋爐效率的影響

1)安裝SCR脫硝裝置后，煙道長度增加，散熱表面增加，導致熱量損失。

2)次級反應產(chǎn)物黏結(jié)在空預器管內(nèi)壁，嚴重時會導致空氣預熱器堵塞，降低空氣預熱器換熱效率，導致鍋爐排煙溫度升高，降低鍋爐熱效率。

5 防范措施

5.1 加強吹灰

加強鍋爐吹灰的管理，有效提高NH3在脫硝SCR的反應效率，從而降低NH3逃逸。空氣預熱器與省煤器能提高鍋爐換熱效率，從而降低次級反應產(chǎn)物黏結(jié)在空預器與省煤器上的幾率。

5.2 嚴格控制運行過程中的氨逃逸

為減少脫硝系統(tǒng)運行時對鍋爐的影響，需要控制硫酸氫銨的生成量，生成的硫酸氫銨主要與煙氣中NH3、水分、SO3以及溫度相關。在火電廠的實際運行中，控制煙氣中的水分、SO3、溫度較為困難，只有控制煙氣中NH3含量較為容易[2]。因此嚴格控制NH3逃逸率，減少生成的硫酸氫銨才能降低脫硝系統(tǒng)運行時給鍋爐帶來的影響。

6 結(jié)語

火力發(fā)電廠中的SCR會降低尾部煙道后續(xù)設備的使用壽命以及鍋爐熱效率，因此了解運行過程中的SCR系統(tǒng)對鍋爐運行的影響，采取有針對性的措施，才能確保鍋爐安全、穩(wěn)定、長周期運行。

[1] 蔣文舉.煙氣脫硫脫硝技術(shù)手冊(第2版)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012：417.

[2] 寧獻武，劉樹民，劉志杰，等.SCR脫硝系統(tǒng)對鍋爐設備的影響及對策[J].電力環(huán)境保護，2009，12(6)：34-36.

TQ111.26；X701

B

1002-1507(2017)08-0050-02

2017-06-01。

楊勇軍，男，中國石化集團南京化學工業(yè)有限公司動力部助理工程師，主要從事鍋爐裝置管理工作。電話：15077894268；E-mail：yangyj.nhgs@sinopec.com。