超低排放SCR脫硝裝置的問題與解決對策

崔 社

（國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司，重慶 401122）

SCR脫硝裝置憑借技術(shù)成熟、脫硝效率高、還原劑NH3價廉易得、煤種適應范圍寬、適宜大容量機組NOx超低排放運營等優(yōu)勢，廣泛應用于我國火力發(fā)電企業(yè)。

煙氣系統(tǒng)的積灰堵塞、磨損破損、冷端設(shè)備ABS（即Ammonium Bisulfate，中文名稱硫酸氫銨，分子式NH4HSO4）現(xiàn)象發(fā)生頻率較高，折射出當前SCR脫硝裝置經(jīng)濟運行、性能保障的危機。本文以某火電企業(yè)調(diào)研和測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過流場模擬、理論分析和診斷，將成功的解決對策分享給讀者，所涉及的方法、手段、分析依據(jù)和技術(shù)指標，可為SCR脫硝超低排放工程提供技術(shù)借鑒和實踐參考。

1　SCR脫硝裝置現(xiàn)狀調(diào)查

1.1　主要設(shè)計指標

該SCR脫硝裝置主要設(shè)計指標參考《火電廠煙氣脫硝技術(shù)導則》（DL/T296-2011）設(shè)定，具體情況如表1所示[1]。

1.2　主要測試指標

在100%BMCR工況下，SCR裝置脫硝效率、氨逃逸以及射入角、流速、NH3/NOx分布偏差等指標偏離設(shè)計值，具體情況如表2所示。

1.3　導流板安裝偏差

反應器入口煙道6組導流板安裝偏差多處超出允許值，具體情況如表3所示。

1.4　催化劑積灰堵塞、磨損和內(nèi)裂

SCR反應器頂層催化劑積灰堵塞、磨損和內(nèi)裂情況如圖1所示。A2～A17（不包含A5、A7、A5）、B1～ B17（不包含 B4、B9、B14）、C1～ C17（不包含C15）、D1～D17（不包含D3、D5、D8、D9、D13）、E1、E4、E14、E15、E16為積灰堵塞分布，C15 為損壞，B4、B9、B14、D5、D9、D13、F4、F9、F14為內(nèi)裂。

1.5　其他設(shè)備積灰堵塞、磨損破損

煙氣系統(tǒng)導流板、噴氨格柵（AIG）、均流管、飛灰整流器、空氣預熱器積灰堵塞、磨損破損情況如表4所示，同時空氣預熱器換熱元件發(fā)生腐蝕。

表1　SCR脫硝裝置主要設(shè)計指標

表2　SCR脫硝裝置主要測試指標

表3　導流板安裝偏差檢查

表4　SCR脫硝設(shè)備積灰、破損檢查表

2　原因分析與診斷

煙氣設(shè)備的積灰堵塞、磨損破損、導流板安裝偏差等因素，均會改變流道流場分布，導致注入氨濃度分布不均、NH3/NOx混合效果差、氨逃逸增加。氨逃逸和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率增加造成催化劑堵塞失活、空氣預熱器腐蝕、SCR脫硝性能下降。

2.1　積灰堵塞

該煤質(zhì)收到基灰分Aar、煤灰SiO2和Al2O3含量分別為41.3%、64.1%和27.1%。脫硝裝置入口煙氣粉塵和灰分SiO2含量高是導致煙氣設(shè)備積灰堵塞的成因。分析圖2可知，催化劑堵塞導致催化劑提前失活、SCR裝置脫硝效率下降[2]。

2.2　磨損破損和催化劑內(nèi)裂

鍋爐和SCR煙氣系統(tǒng)設(shè)備未做灰渣清理，機組啟動運行后，煙氣攜帶殘渣、金屬碎片以及大顆粒粉塵流入，沖擊或撞擊下游設(shè)備，導致設(shè)備局部磨損破損、催化劑內(nèi)裂。僅考慮導流板和飛灰整流器破損因素，經(jīng)測試和流場模擬分析：噴氨格柵（AIG）前500 mm處煙道斷面流速偏差不合格率3.1%；SCR反應器煙氣流向射入角偏差不合格率4.8%；SCR反應器頂層催化劑入口前500 mm處，流道斷面流速偏差不合格率13.2%、NH3/NOx分布偏差不合格率11.5%。

分析表明，導流板和飛灰整流器的破損劣化流場和NH3/NOx混合，同時飛灰整流器影響幅度較大。

2.3　導流板安裝偏差

僅考慮導流板安裝偏差因素，經(jīng)測試和場模擬分析：噴氨格柵（AIG）前500 mm處煙道斷面流速偏差不合格率4.8%；SCR反應器煙氣流向射入角偏差不合格6.9%；SCR反應器頂層催化劑入口前500 mm處，斷面流速偏差不合格率15.6%、NH3/NOx分布偏差不合格率13.2%。

由此判斷，導流板安裝偏差超過允許值既影響煙氣系統(tǒng)均流和NH3/NOx混合，又導致積灰堵塞、磨損破損和氨逃逸增加。

2.4　氨逃逸與流速偏差

噴氨格柵（AIG）和頂層催化劑前流速偏差不合格率分別為7.5%和29.7%，依據(jù)圖3分析：流速偏差超過設(shè)計值導致氨逃逸增加，同時氨逃逸量隨流速偏差加大而增加[3]。

2.5　氨逃逸與NH3/NOx分布偏差

反應器內(nèi)頂層催化劑前NH3/NOx分布偏差不合格率為23.6%，依據(jù)圖4分析：氨逃逸隨脫硝效率升高而增加；NH3/NOx分布偏差越大，氨逃逸隨脫硝效率增幅越大；脫硝效率越高，控制氨逃逸越難；NH3/NOx分布偏差超過設(shè)計指標是導致氨逃逸增加的成因，高于流速偏差的影響[4]。

2.6　冷端設(shè)備ABS現(xiàn)象

液態(tài)硫酸氫銨（NH4HSO4）通常以液滴形式分散于SCR煙氣中，其向固態(tài)（（NH4）2SO4）轉(zhuǎn)變階段的溫度稱為轉(zhuǎn)化溫度。但是，轉(zhuǎn)變階段的硫酸氫銨具有極強的吸附性，會隨煙氣粉塵一起沉積到轉(zhuǎn)化溫區(qū)的冷端設(shè)備通道內(nèi)，引起催化劑堵塞失活，造成空氣預熱器堵塞腐蝕。

運行經(jīng)驗表明，當SO3=2～3 μg/m3，NH3＜2 μg/m3時，硫酸氫銨附著積聚現(xiàn)象就會在空氣預熱器內(nèi)發(fā)生。依據(jù)圖5分析：ABS形成取決于轉(zhuǎn)化溫度、NH3·SO3濃度之積；轉(zhuǎn)化溫度隨NH3·SO3濃度之積增加而升高；NH3·SO3濃度之積取決于氨逃逸和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率；該裝置氨逃逸為8.7 μg/m3、脫硝效率確定，氨逃逸是造成催化劑堵塞和空氣預熱器腐蝕的主因。

2.7　脫硝效率與SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

依據(jù)圖6分析，提高脫硝效率，催化劑體積量增加，面速度降低，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率升高，SO3濃度增加。也就是說，對于SCR超低排放工程來說，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率難以控制，應考慮冷端設(shè)備防腐[5]。

圖1　催化劑積灰堵灰、磨損和內(nèi)裂

圖2　催化劑性能與脫硝效率

圖3　流速偏差與氨逃逸

圖4　NH3/NOx分布偏差與氨逃逸

圖5　轉(zhuǎn)化溫度、NH3·SO3與ABS

圖6　催化劑面速度與SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

3　解決對策與運行建議

按照設(shè)計建造指標流場模擬，重新確定導流板類型、數(shù)量和位置，并控制導流板加工制作和安裝偏差在允許范圍內(nèi)實施更換；無論SCR裝置改造與否，都應定期檢查飛灰整流器，及時更換受損單元；依據(jù)在役催化劑的性能檢測和評價結(jié)果，對潛能不足、破損嚴重、發(fā)生內(nèi)裂的催化劑實施添加/更換；基于超低排放SCR脫硝裝置氨逃逸、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率控制難度大的分析，空氣預熱器實施防腐改造。定期優(yōu)化調(diào)整噴氨格柵（AIG）系統(tǒng)，保障NH3/NOx混合均勻性；機組啟動之前，清除鍋爐和SCR脫硝裝置煙氣系統(tǒng)殘渣、金屬碎片和大顆粒粉塵，保持催化劑、空氣預熱器差壓在設(shè)計范圍內(nèi)清潔運行。

4　效果評價

依據(jù)圖7、圖8綜合分析：該SCR脫硝裝置設(shè)計建造指標合理，改造后能夠有效控制氨逃逸，既解決了煙氣系統(tǒng)的積灰堵塞、磨損破損和腐蝕問題，又使催化劑活性得以充分發(fā)揮、SCR脫硝性能得到可靠保障。

圖7　改造前氨逃逸與脫硝效率

圖8　改造后氨逃逸與脫硝效率

表5　SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值（一）

表6　SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值（二）

表7　SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值（三）

表8　SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值（四）

表9　SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值（五）

表10　SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值（六）

5　結(jié)語

合理的設(shè)計建造指標，優(yōu)良的導流、均流與NH3/NOx混合技術(shù)，是保障SCR脫硝性能和經(jīng)濟運行的基礎(chǔ)。SCR脫硝裝置主要設(shè)計建造指標推薦值如表5～表10所示，本文列出指標推薦值供SCR脫硝超低排放工程借鑒和參考。