燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸率控制技術(shù)研究

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(1.湖南華電常德發(fā)電有限公司，湖南 常德 415001；2.中國華電集團科學技術(shù)研究總院有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著環(huán)保標準的日益提高，燃煤電廠現(xiàn)有環(huán)保裝置需要進行超低排放改造，要求在基準氧含量為6%的條件下，NOx排放質(zhì)量濃度不高于50 mg/m3(標態(tài))。脫硝超低排放技術(shù)路線大多采用低氮燃燒器和選擇性催化還原(SCR)組合方式，脫硝效率和NH3逃逸率是衡量SCR脫硝系統(tǒng)的兩個重要性能指標。電廠機組通過更換或增加催化劑層，實現(xiàn)較高的脫硝效率，滿足NOx排放要求，同時控制氨逃逸率在3×10-6以下。

電廠實際運行過程十分復雜，難以達到排放指標時，往往通過增加噴氨量來提高脫硝效率，造成氨逃逸率超標。過量的逃逸氨和煙氣中的SO3發(fā)生反應生成硫酸氫銨，導致空氣預熱器堵塞、除塵效率下降、催化劑受損等一系列問題，嚴重時還會影響機組運行，降低系統(tǒng)經(jīng)濟性和安全性[1]。嚴格控制脫硝系統(tǒng)氨逃逸率已是燃煤機組運行不容忽視的問題。本文通過揭示脫硝系統(tǒng)氨逃逸形成原因、影響因素，探討氨逃逸率控制技術(shù)方法，為國內(nèi)燃煤電廠超低排放改造及實際機組運行提供參考。

1 氨逃逸的生成機理及危害

燃煤電廠SCR脫硝反應器中，NH3選擇性催化還原煙氣中NOx的主要化學反應為：

4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O，

(1)

4NH3+6NO=5N2+6H2O，

(2)

4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O，

(3)

8NH3+6NO2=7N2+12H2O。

(4)

煙氣中90%～95%的NOx以 NO形式存在，以上反應中以反應(1)為主。NO與NH3的摩爾比為1∶1，理論上講1 mol的NH3可以完全還原1 mol的NO。實際運行中，受反應條件限制和副反應的影響，無法保證NO完全脫除，所以SCR脫硝反應效率一般在95%左右。

燃煤煙氣中含有一定質(zhì)量濃度的SO2以及少量SO3，SO2在催化劑作用下進一步氧化生成SO3，SO3與NH3及水蒸氣反應生成硫酸氫銨與硫酸銨[2-3]。通常條件下，硫酸氫銨的露點為147 ℃，其凝結(jié)物呈中度酸性且具有很大黏性，黏附在催化劑和空氣預熱器的換熱元件表面上，加劇換熱元件的腐蝕和堵灰，影響換熱效果和鍋爐效率，且飛灰中氨含量增大，濕法脫硫廢水及空氣預熱器清洗水中氨含量也會相應增大。

硫酸氫銨形成溫度隨著NH3和SO3質(zhì)量分數(shù)乘積的升高而升高，影響規(guī)律如圖1所示[4]。電廠鍋爐空氣預熱器冷端運行溫度一般低于硫酸氫銨的露點，加大了受熱面堵塞和腐蝕風險[5]。為保證機組安全穩(wěn)定運行，必須嚴格控制SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量及氨逃逸率。

圖1 NH3和SO3質(zhì)量分數(shù)對硫酸氫銨形成溫度的影響Fig.1 Effect of NH3 and SO3 mass fraction on ABS formation temperature

2 影響氨逃逸率的主要因素

2.1 脫硝催化劑性能

脫硝催化劑活性是影響氨逃逸率的根本原因，煙氣溫度、含水率、氧含量、煙塵質(zhì)量濃度等因素均會對催化劑活性產(chǎn)生影響[6]。煙氣中的堿金屬、砷元素等容易引起催化劑中毒，催化劑長期運行中發(fā)生燒結(jié)堵塞、腐蝕、硫酸銨鹽和飛灰沉積等，均會使其活性降低，導致未反應的氨量增加。隨著脫硝效率的升高，氨逃逸率呈升高趨勢，當脫硝效率高于設計值時，氨逃逸率大幅度增加，如圖2所示[7]。

圖2 SCR脫硝效率和氨氮摩爾比對氨逃逸率的影響Fig.2 Effect of SCR denitration efficiency and NH3/NOx molar ratio on ammonia escape rate

隨著運行時間的增加，催化劑活性下降，脫硝效率降低，要維持較高的脫硝效率和較低的NOx排放質(zhì)量濃度，實際運行中往往需要提高氨氮摩爾比，勢必會導致氨逃逸率急劇增加，進一步使催化劑活性降低，引發(fā)惡性循環(huán)。

2.2 流場均勻性

煙氣流場均勻性是指SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣來流均勻性及噴氨后氨氮混合均勻性。在煙道的轉(zhuǎn)彎、收縮、擴張段，由于流動空間的改變，氣流被迫改變運動方向，出現(xiàn)渦流，造成流動速度的分層和改變，導致煙氣流場不均勻。運行過程中，導流板磨損、積灰、噴嘴堵塞、煙氣流量超過設計值等因素也會導致流場不均，影響氨氮摩爾比分布。

流場和氨氮摩爾比分布不均勻會導致脫硝效率下降，且氨氮摩爾比分布偏差越大，對脫硝效率影響越大[8-9]。當氨氮摩爾比不均勻時，在氨氮摩爾比減小的區(qū)域，脫硝效率下降，而氨氮摩爾比增大超過1的區(qū)域，脫硝效率并不能因此增大，從而使總的脫硝效率下降。尤其是在超低排放要求下，要求的脫銷效率越高，氨氮摩爾比不均勻性的影響越明顯，氨逃逸率增長趨勢也越明顯。由圖3可見，當脫硝效率為92%時，當氨氮摩爾比偏差從2%增加到12%時，氨逃逸率從1.00×10-6增加到8.00×10-6[10]。

2.3 鍋爐運行方式

機組負荷、煙溫、燃燒狀況等運行參數(shù)對脫硝效率和氨逃逸率有明顯影響。過高的燃盡風率或過高的氧含量可增加SCR入口NOx質(zhì)量濃度，進而影響脫硝系統(tǒng)運行參數(shù)和氨逃逸率。一般認為，SCR反應器內(nèi)煙溫降低使催化劑活性下降，導致氨逃逸率增加，煙溫不能長期低于SCR脫硝系統(tǒng)連續(xù)噴氨溫度，否則將導致硫酸氫銨生成和催化劑失活。也有研究表明[11]，機組低負荷運行時，煙氣在催化劑層停留時間增加可削弱催化劑活性降低的影響，通過設定合適的脫硝效率，能夠有效控制系統(tǒng)氨逃逸率。

圖3 氨氮摩爾比分布偏差對脫硝性能的影響Fig.3 Effect of NH3/NOx molar ratio distribution deviation on denitrification performance

2.4 噴氨控制系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)噴氨控制系統(tǒng)一般采用固定氨氮摩爾比或固定SCR出口NOx質(zhì)量濃度的控制方式[12-13]。固定氨氮摩爾比控制原理是依據(jù)脫硝效率，按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx，其控制邏輯如圖4所示[14]。固定SCR出口NOx質(zhì)量濃度控制方法的主控制回路與固定氨氮摩爾比的控制方式基本相同，不同之處在于引入了反應器出口NOx質(zhì)量濃度，脫硝效率根據(jù)反應器入口NOx質(zhì)量濃度和反應器出口NOx質(zhì)量濃度設定值計算獲得，氨氮摩爾比是脫硝效率的函數(shù)。

圖4 固定氨氮摩爾比時SCR噴氨量控制邏輯Fig.4 SCR ammonia injection control logic at fixed NH3/NOx molar ratio

由于SCR反應器中催化劑反應反饋滯后和NOx分析儀響應滯后等原因，使得SCR脫硝控制系統(tǒng)存在大滯后性和大延時性，難以精確控制噴氨量[15-16]。尤其是機組變負荷時，SCR入口煙氣量或NOx質(zhì)量濃度急劇變化，調(diào)節(jié)的慣性和延時性容易導致煙囪入口NOx質(zhì)量濃度瞬時值超標。為了使各工況下滿足超低排放要求，出口NOx質(zhì)量濃度設置值往往偏低，導致SCR系統(tǒng)噴氨過量，氨逃逸率超標。實際運行中，當兩側(cè)SCR反應器風量相差較大時，兩側(cè)噴氨量過多或過少，噴氨量過多的一側(cè)容易發(fā)生氨逃逸。

此外，NOx質(zhì)量濃度考核點和控制點不一致。環(huán)?？己藭r以煙囪入口NOx質(zhì)量濃度測點為準；噴氨自動調(diào)節(jié)時，單側(cè)煙道的 SCR反應器出口NOx質(zhì)量濃度為被控量。SCR反應器出口測點與煙囪入口測點所測量的NOx質(zhì)量濃度存在不同程度的偏差，影響噴氨量的精準控制。

2.5 測量方法和儀表

由于氨逃逸的量級非常小，理論計算很難準確。相對于離線手工分析法，原位光學測量法可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，但光學測量的準確度容易受高溫、高塵惡劣工況的影響。煙氣含塵量大時，測量探頭受鋼制煙道壁振動及溫度變化的影響，會出現(xiàn)測量不穩(wěn)定或指示飄移現(xiàn)象，導致測量偏差大[17-18]；同時，SCR出口煙道煙氣分布不均勻，導致采樣誤差較大，影響氨逃逸量在線監(jiān)測的準確度。一般以氨逃逸儀表監(jiān)測的氨逃逸變化趨勢作為運行參考，而難以通過儀表值準確控制噴氨量和氨逃逸率。

3 氨逃逸率控制技術(shù)

3.1 流場優(yōu)化

實際運行過程中，SCR脫硝系統(tǒng)中氣流流動非常復雜，在煙道內(nèi)設置導流板可有效改善速度分層現(xiàn)象。導流板后可加裝氣流均布器(在第1層催化劑上方加裝整流格柵等)，利用局部的紊流改善流場速度不均勻的狀況。根據(jù)不同機組的具體情況，合理設置導流板的位置、數(shù)量、形式等，在改善流場的同時要盡可能低地增加系統(tǒng)壓降。

氨噴入之后與煙氣混合的均勻性集中在氨的噴射方式和噴氨后與煙氣的混合兩個方面，主要取決于噴氨格柵形式及氨煙靜態(tài)混合器的選型與布置。國內(nèi)外開發(fā)并應用于工程實際的噴氨裝置包括線性控制噴氨格柵、分區(qū)控制噴氨格柵和靜態(tài)渦流混合器技術(shù)，技術(shù)對比見表1[19]。線性控制噴氨格柵技術(shù)成熟，應用最廣；分區(qū)控制噴氨格柵是利用分區(qū)流量調(diào)節(jié)技術(shù)，使噴氨量適應煙氣中NOx的分布；渦流混合器技術(shù)使NH3與NOx混合氣體在混合元件誘導下形成穩(wěn)定的渦流或旋流，加強擾動，強化湍流擴散。線性控制噴氨格柵和分區(qū)控制噴氨格柵依靠數(shù)量多、口徑小的噴嘴實現(xiàn)均勻噴氨，但也正因為這一特點，運行過程中噴嘴堵塞后，反而難以實現(xiàn)均勻噴氨，影響氨氮摩爾比分布的均勻性。靜態(tài)渦流混合器克服了小噴嘴容易堵塞的問題，具有良好的操作彈性，其難點在于靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)設計，以及開發(fā)高效低阻擾流裝置，縮短混合段距離。

表1 3種噴氨方式技術(shù)特點對比Tab.1 Technical feature comparison of 3 kinds of ammonia spraying methods

3.2 控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對SCR脫硝控制系統(tǒng)大滯后、大延時問題，通過引入預測控制、融合改進的狀態(tài)變量控制、相位補償控制等技術(shù)，提前預測被調(diào)量未來變化趨勢，提高脫硝系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性和抗擾動能力[20-21]?；陬A測控制和智能前饋技術(shù)的脫硝噴氨優(yōu)化控制策略如圖5所示[21]。該技術(shù)通過考慮SCR上游鍋爐側(cè)多個擾動變量對SCR脫硝過程的影響，將多參數(shù)進行擬合作為擾動變量，實現(xiàn)預測控制和提前調(diào)節(jié)。

圖5 新型SCR脫硝優(yōu)化控制策略Fig.5 New SCR denitration optimization and control strategy

此外，穩(wěn)定的噴氨量控制取決于高質(zhì)量的氨氣質(zhì)量流量計、氨量調(diào)節(jié)閥和最佳的控制參數(shù)。在同等設備和控制條件下，通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，改善噴氨時機，特別是提高噴氨控制系統(tǒng)對機組負荷變化的響應速度，避免機組負荷變化時噴氨量未及時跟蹤而使氨逃逸率超標[22]。

3.3 噴氨優(yōu)化調(diào)整

對于現(xiàn)役SCR脫硝系統(tǒng)，在不改造系統(tǒng)設備的情況下，通過噴氨格柵優(yōu)化調(diào)整，可改善氨氮摩爾比分布的均勻性[23-24]。脫硝系統(tǒng)一般由多個蝶閥等部件協(xié)同控制噴氨量，需要根據(jù)噴氨格柵截面內(nèi)的流場分布特性對各支管閥門進行調(diào)整，保證良好的氨氮摩爾比分布，使各區(qū)域噴氨量與NOx流場相匹配，提高脫硝效率，避免局部區(qū)域過量噴氨而導致逃逸氨偏高；同時，可以通過改善反應器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性，減小取樣點的測量誤差，優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，提高噴氨量控制的精確度[25]。

3.4 測量儀表及測量方法改進

采用原位光學法測量氨逃逸率時，應合理設置儀表的安裝位置及激光對位，關(guān)注安裝處結(jié)構(gòu)變形、探頭附近的水蒸氣、吹掃空氣對儀表的影響。定期對氨逃逸率測量儀表進行檢查和校驗，由飛灰中氨含量輔助推斷氨逃逸狀況，氨逃逸異常時應及時對儀表工作狀態(tài)進行檢查[26]。超低排放改造時，應按要求更換合適精度的儀表，降低測量誤差對氨逃逸控制準確度的不利影響。通過對SCR進、出口流場的測試，采用多點取樣旁路管的方式，提高測點的取樣代表性[16]，在一定程度上減少SCR出口與煙囪入口NOx質(zhì)量濃度的偏差。

3.5 機組運行優(yōu)化及檢修維護

在脫硝超低排放改造時，根據(jù)機組情況，可優(yōu)先進行低氮燃燒優(yōu)化改造，從源頭上減少NOx生成量。采取爐內(nèi)燃燒優(yōu)化調(diào)整措施，通過調(diào)整氧量，調(diào)整分離燃盡風(SOFA)風門開度，合理搭配煤種等，降低脫硝裝置入口NOx質(zhì)量濃度[27-29]。機組運行過程中，加強氨逃逸監(jiān)測，定期對現(xiàn)有催化劑進行檢測分析，尤其要關(guān)注脫硝裝置催化劑壓差、系統(tǒng)阻力、空氣預熱器阻力等參數(shù)。

停爐檢修時，需檢查噴氨格柵噴嘴堵塞情況，對堵塞的噴嘴進行吹掃清理，加強噴氨系統(tǒng)閥門的維護，使噴氨調(diào)節(jié)閥有良好的調(diào)節(jié)特性，減少內(nèi)漏量。重視脫硝吹灰器的檢查與維護[30-31]，對催化劑積灰、磨損情況進行及時清理和修復，按規(guī)定測試催化劑活性，必要時增加催化劑層或更換催化劑，提高脫硝效率，降低氨逃逸率。

4 結(jié)論

燃煤電廠超低排放改造對SCR脫硝系統(tǒng)提出了新的要求，在實現(xiàn)較高的脫硝效率的同時要保證較低的氨逃逸率。影響氨逃逸率的主要因素包括脫硝催化劑性能、機組運行方式、煙氣流場均勻程度、噴氨控制邏輯、測量方法和儀表等。采取以下措施，可有效控制氨逃逸率。

(1)選擇合適的噴氨格柵及氨煙混合裝置，合理布置導流板、整流格柵等，提高SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場均勻性及氨氮混合均勻性，降低氨氮摩爾比分布偏差。

(2)進行SCR脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化，通過預測控制技術(shù)進行提前控制，改善控制邏輯的滯后和延時特性，提升噴氨控制系統(tǒng)對機組負荷變化的響應速度。

(3)做好噴氨優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)噴氨量與煙氣中NOx分布相匹配，加強對噴氨噴嘴、供氨調(diào)節(jié)閥等設備的檢修維護，防止出現(xiàn)局部過量噴氨。

(4)通過機組運行優(yōu)化和爐內(nèi)燃燒優(yōu)化調(diào)整，降低煙氣中NOx的質(zhì)量濃度，并使SCR入口煙氣參數(shù)滿足催化劑性能保證條件；同時，密切關(guān)注氨逃逸、催化劑壓差、空氣預熱器阻力等參數(shù)的變化。

(5)做好停爐檢修工作，定期檢查催化劑性能并及時處理催化劑磨損和堵塞問題，保證較高的脫硝效率，降低氨逃逸率。