煤粉爐脫硝裝置氨逃逸高的原因分析與對策

田志娟，安 晶

(1.中國石化 洛陽分公司，河南 洛陽 471012；2.洛陽宏興新能化工有限公司，河南 洛陽 471012)

洛陽石化2014年建成投運SNCR+SCR脫硝系統(tǒng)，選擇性非催化還原(SNCR)和選擇性催化還原(SCR)是常用的脫硝方法。脫硝系統(tǒng)設(shè)計SCR出口氨逃逸≤2.5 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)，但運行后，氨逃逸偏高，逃逸的NH3與煙氣中的SO3反應(yīng)生成黏結(jié)性的NH4HSO4，給鍋爐及環(huán)保裝置帶來了不利影響：①造成鍋爐下層省煤器、空預(yù)器堵塞嚴(yán)重，系統(tǒng)阻力增加，腐蝕省煤器管束導(dǎo)致泄漏；②造成電除塵極板和極線裹灰、布袋除塵器糊袋，影響除塵系統(tǒng)穩(wěn)定運行；③逃逸的NH3進(jìn)入爐后濕法脫硫裝置，造成脫硫排水氨氮濃度高，脫硫廢水被迫進(jìn)污水汽提裝置處理，增加了裝置能耗[1]。本文結(jié)合煤粉爐脫硝系統(tǒng)運行情況，分析其氨逃逸高的原因，并提出相應(yīng)對策，通過各項措施的實施，實現(xiàn)鍋爐與脫硝系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運行，降低氨逃逸值。

1 設(shè)備概括

1.1 煤粉爐概況

洛陽石化熱電部兩臺煤粉爐額定負(fù)荷220 t/h，為四角切圓固態(tài)排渣煤粉鍋爐，前部為爐膛，四周布滿膜式水冷壁，爐膛出口處布置屏式過熱器，水平煙道內(nèi)裝設(shè)高低溫兩級過熱器，尾部豎井交錯布置兩級省煤器和兩級空氣預(yù)熱器。

鍋爐設(shè)計煤種為無煙煤，設(shè)計燃煤揮發(fā)分8.67%，配套建設(shè)電除塵器。為滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223—2011)，NOx≤100 mg/m3(本論文NOx濃度均以NO2計，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，6%O2的數(shù)值)的排放標(biāo)準(zhǔn)，2014年建成投運SNCR+SCR脫硝裝置，由同方環(huán)境提供工藝包，以液氨作為脫硝還原劑，液氨為廠內(nèi)自產(chǎn)，液氨蒸發(fā)為氨氣供脫硝使用。根據(jù)《河南省燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB41 1424—2017)要求，超低排放標(biāo)準(zhǔn)為NOx≤50 mg/m3。

1.2 SNCR+SCR脫硝裝置概況

2臺煤粉爐各設(shè)置1套SNCR和SCR裝置。SNCR布置在爐膛上，分3層設(shè)置14支噴槍。SCR反應(yīng)器安裝在高溫空氣預(yù)熱器上級和下級之間，為高溫、高塵布置方式，脫硝裝置工藝流程見圖1。SCR采用迪諾斯平板催化劑，設(shè)2+1層催化劑，運行2層，備用1層(2016年10月裝入)。SNCR和SCR設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 SNCR+SCR工藝流程圖

表1 SNCR和SCR設(shè)計參數(shù)

2 SNCR和SCR基本原理

SNCR與SCR化學(xué)反應(yīng)基本原理相同，都在煙氣中加入還原劑。在一定溫度下，還原劑與煙氣中的NOx反應(yīng)，生成無害的氮氣和水，主要反應(yīng)如下：

SNCR是將NH3噴入爐膛溫度850～1 100 ℃的區(qū)域，與煙氣中NOx進(jìn)行反應(yīng)，不需要催化劑。脫硝效率受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響較大，在燃煤鍋爐上，其脫硝效率一般為30%，多用作脫硝的補充處理手段。SCR是將NH3噴入鍋爐300～400 ℃的煙道區(qū)域內(nèi)，在催化劑作用下，NH3與NOx反應(yīng)，其脫硝效率與煙氣溫度、催化劑性能、反應(yīng)時間、流場分布等多個因素相關(guān)，一般為80%～90%。

SNCR+SCR組合工藝是節(jié)約費用、提高脫硝效率的一種混合工藝，SNCR工藝的還原劑噴入爐膛，逃逸的NH3在SCR反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)。脫硝反應(yīng)NH3、NOx最佳物質(zhì)的量比為1.0，NH3、NOx物質(zhì)的量比達(dá)到1.0之后，脫硝效率提升緩慢，但氨逃逸大幅增加(見圖2)。鍋爐煙氣中部分SO2在鍋爐爐膛及煙道中被氧化為SO3，SCR催化劑也會將煙氣中部分SO2氧化為SO3(轉(zhuǎn)化率<1%)。逃逸的NH3在尾部煙道中與SO3生成NH4HSO4，NH4HSO4從煙氣中吸收水分，黏附飛灰，繼而造成尾部煙道腐蝕。

圖2 脫硝效率和氨逃逸濃度與NH3/NOx(物質(zhì)的量比)的關(guān)系[2]

3 氨逃逸超標(biāo)原因分析

3.1 排放標(biāo)準(zhǔn)提升

煤燃燒NOx形成是一個非常復(fù)雜的過程，與煤種、燃燒方式及燃燒過程控制密切相關(guān)。該電廠兩臺煤粉爐采用揮發(fā)分低的無煙煤，難著火、難燃盡，為了燃燒需求，鍋爐燃燒溫度高、風(fēng)量大，原始NOx濃度高，均值達(dá)到1 000 mg/m3。

SNCR+SCR脫硝裝置設(shè)計總脫硝效率≥91.7%，氨逃逸濃度≤2.5 mg/m3，出口NOx含量≤100 mg/m3。2014—2015年脫硝裝置運行良好，雖然2#爐氨逃逸略偏高，但總體受控，脫硫排水的氨氮濃度在100 mg/L以下。2015年6月進(jìn)行1#爐脫硝裝置性能考核，考核期間出口煙氣NOx平均濃度52.89 mg/m3，氨逃逸濃度平均值為1.00 mg/m3，NOx濃度、氨逃逸濃度均達(dá)到了設(shè)計要求。

2016年11月開始，間斷執(zhí)行NOx≤50 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，2017年10月1日起，正式執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)。SNCR+SCR脫硝效率≥95.8%才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)要求，超出了SNCR+SCR脫硝工藝設(shè)計脫硝能力。為了滿足排放要求，通過大量噴氨降低NOx濃度，這是造成脫硝裝置氨逃逸高的根本原因。

3.2 NH3/NOx分布不均勻

理想狀態(tài)下，NH3/NOx(物質(zhì)的量比)相匹配。脫硝過程中，NH3的噴入量根據(jù)NOx濃度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。但在實際運行過程中，煤粉爐SNCR、SCR自控不能穩(wěn)定投運，SCR 6個噴氨調(diào)整閥長時間均為全開狀態(tài)，反應(yīng)截面上NH3/NOx分布不均勻。2018年10月，利用便攜式檢測儀表對2#爐SCR入口6個區(qū)域進(jìn)行NOx和NH3濃度測量發(fā)現(xiàn)，NH3/NOx相差很大，分布嚴(yán)重不均，部分區(qū)域NH3/NOx>2，部分區(qū)域NH3濃度不足(見表2)。SCR噴氨調(diào)節(jié)效果差，NH3/NOx分布不均勻，局部噴入的NH3大于需要值，形成氨逃逸，是氨逃逸高的主要原因。

表2 2#爐SCR入口NOx和NH3分布

3.3 氨逃逸測量偏差

SCR出口設(shè)置在線氨逃逸表，采用的是西門子LDS6原位式激光分析法。激光通過煙氣時，特定波長的激光被煙氣中 NH3吸收，吸收程度信息保留在光信號中，即形成吸收光譜，通過對吸收光譜的分析最終得到 NH3的濃度信號。

氨逃逸表在SCR出口水平煙道對角安裝。由于該位置在除塵器前，煙塵含量濃度高，為確保透射，光程設(shè)置為1 m。測量探頭易受煙道振動及溫度變化影響，使測量不穩(wěn)定或產(chǎn)生偏移。因此，受安裝位置和運行環(huán)境的影響，在線氨逃逸表較難及時、全面地反映煙氣中的氨濃度，數(shù)據(jù)代表性相對較差。運行過程中，氨逃逸表頻繁出現(xiàn)故障、漂移等問題，給脫硝裝置運行調(diào)整帶來偏差，也是造成氨逃逸高的主要原因。

3.4 運行溫度低的影響

運行溫度既影響SCR反應(yīng)速度，也影響催化劑的活性。SCR合適的反應(yīng)溫度為300～400 ℃，當(dāng)運行溫度低于該值時，催化劑活性下降，噴入的NH3無法被有效利用，從而形成較高的氨逃逸率[3]。

兩臺煤粉爐開停工或低負(fù)荷運行期間，煙氣溫度達(dá)不到SCR最低運行溫度，但為實現(xiàn)NOx達(dá)標(biāo)排放，SCR在不滿足溫度條件的情況下噴氨運行，脫硝效率低，氨逃逸增加，這是特定時間脫硝裝置氨逃逸高的原因。

4 應(yīng)對措施

4.1 源頭控制措施

低氮燃燒技術(shù)是從源頭控制NOx濃度，通過低氧、低溫燃燒減少燃燒過程NOx生成量，一般作為燃煤電廠NOx控制首選技術(shù)。兩臺煤粉爐設(shè)計燃料為無煙煤，揮發(fā)分<10%，燃燒溫度高、風(fēng)量大，產(chǎn)生的NOx濃度高。在前期脫硝改造時，受煤種及鍋爐爐型限制，無成熟低氮燃燒改造技術(shù)及成功案例，未實施低氮燃燒改造。

為應(yīng)對NOx標(biāo)準(zhǔn)提升、脫硝裝置氨逃逸高的問題，根據(jù)近年技術(shù)發(fā)展情況，煤粉爐實施低氮燃燒勢在必行。經(jīng)過前期技術(shù)比選，結(jié)合鍋爐實際情況，選取軸向空氣分級燃燒技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)對沖燃盡風(fēng)(ROFA)率先對2#爐進(jìn)行低氮燃燒改造。從鍋爐總風(fēng)量中抽出約28%作為燃盡風(fēng)，分2層逐級送入爐膛，形成深度空氣分級。通過調(diào)整整個爐膛區(qū)域內(nèi)空氣和燃料的混合狀態(tài)，在保證總體過量空氣系數(shù)不變的基礎(chǔ)上，使燃料經(jīng)歷第一階段“富燃料燃燒”和第二階段“富氧燃盡”兩個階段。第一階段富燃料、貧氧燃燒降低燃燒區(qū)的燃燒速度和溫度水平，營造還原性氛圍減少NOx生成，并還原部分已生成的NOx；第二階段剩余燃料富氧下完成燃燒，低溫氛圍減少NOx生成。通過低氮燃燒改造，預(yù)期NOx初始濃度降至450 mg/m3，降低后續(xù)SNCR+SCR脫硝裝置運行壓力，減少噴氨量，降低氨逃逸值[4]。

煤燃燒過程NOx形成是一個非常復(fù)雜的過程，低氮燃燒改造要平衡控制鍋爐效率和NOx脫除兩個目標(biāo)。

4.2 過程優(yōu)化措施

4.2.1SCR優(yōu)化

對SCR進(jìn)行優(yōu)化，解決噴氨調(diào)節(jié)性差、NH3/NOx分布不均的問題。2017年從脫硝運行問題較多的2#爐入手，與大連研究院聯(lián)合開展該優(yōu)化項目。針對存在的問題，分步實施了優(yōu)化措施。2017年11月實施第一階段改造，進(jìn)行了噴氨格柵內(nèi)構(gòu)件更換及反應(yīng)器入口流場優(yōu)化，強(qiáng)化稀釋風(fēng)和煙氣混合，改善入口煙氣的流場分布。改造后2#爐噴氨量明顯下降，具體見圖3。

圖3 2017年2月至2018年1月2#爐噴氨量變化

2018年10月利用便攜式儀表對2#爐SCR入口NOx和NH3分布情況進(jìn)行了檢測，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況對入口噴氨調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了調(diào)整，促使NOx和NH3分布相匹配，具體數(shù)據(jù)見表3。通過檢測與調(diào)整，各個區(qū)域的NH3/NOx趨于平衡，在調(diào)試前后分別采樣化驗，調(diào)整前脫硫液氨氮濃度為559 mg/L，調(diào)整5 h之后氨氮濃度為353 mg/L。

表3 2#爐SCR入口NOx和NH3濃度檢測

2019年實施了分區(qū)噴氨、分區(qū)檢測、自控優(yōu)化等第二階段的優(yōu)化措施，促進(jìn)SCR精準(zhǔn)噴氨和自控運行。2019年9月項目驗收結(jié)果表明，改造后，2#爐能夠?qū)崿F(xiàn)SCR自控投運，脫硫排水氨氮濃度降至70 mg/L以下(折合氨逃逸濃度3.5 mg/m3)。

4.2.2SNCR優(yōu)化

SNCR設(shè)計選取的氨氣調(diào)節(jié)閥門和氨氣流量計偏大，在運行過程中調(diào)整不夠靈敏，加之建成投運后未進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，SNCR不能穩(wěn)定自控運行。2017年、2019年先后對SNCR調(diào)節(jié)閥和流量計進(jìn)行了更換。2019年與某公司結(jié)合，在1#爐SNCR試用先控系統(tǒng)，投運SNCR自控系統(tǒng)。鍋爐低氮燃燒改造后，爐膛溫度場將發(fā)生變化，SNCR三層噴槍的投運匹配情況需要進(jìn)行進(jìn)一步摸索和優(yōu)化。

4.2.3運行控制優(yōu)化

①控制氨氣質(zhì)量。從液氨源頭、氣化、使用等各個環(huán)節(jié)入手，嚴(yán)格液氨脫水脫油管理，保證氨氣溫度，2#爐氨氣雙聯(lián)過濾器定期切換清理，確保氨氣品質(zhì)合格，減少對脫硝系統(tǒng)的不良影響。②加強(qiáng)氨逃逸表的維護(hù)。加強(qiáng)氨逃逸表及相關(guān)CEMS的維護(hù)工作，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，為脫硝系統(tǒng)運行提供可靠的調(diào)整依據(jù)。③保持催化劑的活性。定期開展SCR催化劑活性檢測，根據(jù)檢測情況更換催化劑，確保良好的脫硝效率。④強(qiáng)化運行控制。嚴(yán)格控制鍋爐開停工過程噴氨量，在滿足NOx排放達(dá)標(biāo)情況下，盡量減少噴氨量；保持鍋爐穩(wěn)定運行，減少大幅調(diào)整次數(shù)，啟停制粉時上下游崗位及時溝通，避免波動時過量噴氨；嘗試自主開展SCR噴氨調(diào)平試驗，促進(jìn)NH3/NOx均勻分布。

5 結(jié)論

煤粉爐受煤種和鍋爐型式影響，原始NOx濃度高，為滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，過量噴氨，這是脫硝裝置氨逃逸高的根本原因。NH3/NOx分布不均勻，氨逃逸測量偏差是造成氨逃逸高的主要原因，運行溫度是特定時間段氨逃逸高的影響因素。

為解決脫硝裝置氨逃逸高的問題，在源頭管控上，實施低氮燃燒改造，改造后預(yù)期鍋爐原始NOx濃度降至450 mg/m3以下，大幅降低后續(xù)脫硝裝置運行壓力。在過程管控上，實施SCR、SNCR優(yōu)化，加強(qiáng)氨氣質(zhì)量、儀表維護(hù)、催化劑活性、運行控制等管理。目前鍋爐低氮燃燒改造正在實施，預(yù)期通過各項優(yōu)化措施的實施，實現(xiàn)降低氨逃逸值、脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目標(biāo)。