燃煤機(jī)組SCR 脫硝后煙氣對電袋復(fù)合除塵器的影響

金文鋒

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

電袋復(fù)合除塵器是我國近年自主研發(fā)的高效煙氣除塵設(shè)備，它有機(jī)結(jié)合了靜電除塵和布袋除塵的特點(diǎn)，通過前級電場高效預(yù)收塵、荷電作用和后級濾袋區(qū)精細(xì)過濾除塵，充分發(fā)揮電除塵和布袋除塵各自的除塵優(yōu)點(diǎn)，以及兩者相結(jié)合產(chǎn)生新的性能優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了靜電除塵和布袋除塵器的除塵缺點(diǎn)。在國內(nèi)從50MW-1000MW 燃煤發(fā)電機(jī)組中得到普遍使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2019 年底，僅福建某知名環(huán)保上市公司設(shè)計(jì)制造的電袋復(fù)合除塵器就已有500 余臺套投入使用。與此同時(shí)，在眾多的脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原法（SCR）由于脫硝效率高，在我國多個(gè)大型火力發(fā)電廠中得到成功應(yīng)用，其NOx的脫除率可達(dá)80%-90%，SCR 脫硝已經(jīng)成為國內(nèi)火力發(fā)電廠脫除氮氧化物的主流技術(shù)。目前，燃煤電廠形成了以SCR 脫硝裝置+電袋復(fù)合除塵器+濕法脫硫裝置來保證煙氣中總污染物同步達(dá)標(biāo)的主流凈化煙氣工藝路線。

盡管SCR 脫硝裝置在我國多個(gè)燃煤發(fā)電機(jī)組成功應(yīng)用，仍存在個(gè)別電廠相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，脫硝裝置配套的在線監(jiān)測設(shè)備配套不齊全等問題，從而導(dǎo)致在脫硝過程造成大量的氨逃逸（未反應(yīng)的氨），逃逸的氨與煙氣化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生有粘性的硫酸氫銨（化學(xué)式：NH4HSO4），并與煙氣中顆粒物形成粘性灰，吸附在電袋復(fù)合除塵器陰極針刺線上造成針尖肥大，嚴(yán)重影響電除塵除塵效率。此外，形成的粘性粉塵吸附在濾袋表面，造成濾袋孔隙堵塞，影響袋區(qū)除塵效率。本文主要對脫硝過程中硫酸氫銨生成機(jī)理分析，并結(jié)合國內(nèi)相關(guān)機(jī)組現(xiàn)狀實(shí)例對硫酸氫銨對電袋除塵器的影響進(jìn)行分析，引起業(yè)內(nèi)對煙氣中過量硫酸氫銨對電袋除塵器負(fù)面影響的重視，并通過相關(guān)有效地監(jiān)控管理措施來積極減少這種負(fù)面影響。

1 SCR 脫硝裝置中硫酸氫銨生成機(jī)理分析

1.1 SCR 脫硝機(jī)理

選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（NH3或尿素等）“有選擇性”地與煙氣中NOx反應(yīng)并生成無毒性無污染的氮?dú)夂退?。在以氨為還原劑的典型SCR 反應(yīng)條件下，其主要反應(yīng)為：

SCR 脫硝系統(tǒng)主要由SCR 催化反應(yīng)器模塊、噴氨裝置、氨的儲存和制備系統(tǒng)等組成。SCR 催化反應(yīng)模塊一般布置在空預(yù)器和除塵器之間的高溫?zé)煹纼?nèi)，在該位置，煙氣溫度能夠達(dá)到反應(yīng)的最佳溫度。SCR 工藝的反應(yīng)原理如圖1 所示。

圖1 SCR 煙氣脫硝原理

1.2 硫酸氫銨生成機(jī)理分析

由于在鍋爐煙氣中還存在SO2和SO3等氣體，催化劑中的活性組分V2O5在催化降解NOx的過程中，也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，生成SO3。在脫硝過程中由于氨的不完全反應(yīng)，另SCR 煙氣脫硝過程少量的氨逃逸是難免的，氨逃逸率主要取決于以下因素：（1）注入煙道內(nèi)的氨分布不均。（2）設(shè)定的NH3/NOx摩爾比不合理造成還原化學(xué)反應(yīng)不充分。（3）發(fā)生還原反應(yīng)的溫度。（4）催化劑堵塞，造成催化劑活性成分與煙氣無法充分接觸、發(fā)生反應(yīng)。（5）催化劑老化，活性成分失效。反應(yīng)生成的SO3進(jìn)一步同煙氣中逃逸的氨反應(yīng)，生成硫酸氫銨和硫酸銨，其反應(yīng)如下：

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和熱力學(xué)分析都表明，硫酸氫銨的形成取決于反應(yīng)物的濃度和它們的比例。硫酸氫銨的形成量隨NH3濃度的增加而增加[1]。

2 鍋爐煙氣脫硝后煙氣中硫酸氫銨對電袋復(fù)合除塵器的性能影響

2.1 煙氣脫硝后大幅度降低煙氣中NOx濃度，利于延長PPS 濾袋的使用壽命

PPS（學(xué)名：聚苯硫醚）是目前燃煤電廠布袋除塵器普遍使用的主要濾材，其缺點(diǎn)抗氧化性能差，容易發(fā)生氧化腐蝕，在多年的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，它容易受煙氣中的化學(xué)成分影響纖維的物理強(qiáng)度，進(jìn)而縮短使用壽命，其中NOx是有害化學(xué)成分主要之一，其濃度越高對PPS 纖維的危害性越大。脫硝后減少了煙氣NOx濃度，減少煙氣中對濾袋纖維影響的有害成分，有利于提高電袋復(fù)合除塵器PPS 濾袋使用壽命。

2.2 脫硝后少量氨逃逸形成少量的氨鹽對電袋復(fù)合除塵器的積極作用

硫酸氫銨（NH3HSO4）是一種具有很強(qiáng)粘性的銨鹽。銨鹽容易與煙氣中粉塵粘合，使小顆粒凝并成大顆粒從而提高煙氣中粉塵的凝并能力，降低煙塵表面的比電阻值，從而提高電除塵的除塵效率。銨鹽的粘合與電解作用已形成了國際上普遍應(yīng)用的氨調(diào)質(zhì)煙氣處理技術(shù)。當(dāng)SCR 脫硝裝置中發(fā)生NH3逃逸，形成少量的銨鹽經(jīng)過電袋復(fù)合除塵器前級電場時(shí)，與煙氣中高濃度的粉塵凝并后絕大部分被電場捕集，且形成的銨鹽與粉塵混合的顆粒物中銨鹽的含量較低，粘性小，容易在電場捕集后在機(jī)械振打清灰作用下落至灰斗內(nèi)。所以，脫硝裝置中少量氨逃逸對除塵而言是積極的因素，它提高電袋復(fù)合除塵器電區(qū)除塵效率，降低進(jìn)入袋區(qū)的煙塵濃度，降低除塵器前后壓差和煙氣阻力。

2.3 脫硝后過量氨逃逸形成大量氨鹽對電袋復(fù)合除塵器的負(fù)面影響

當(dāng)脫硝裝置由于噴氨裝置故障導(dǎo)致注入煙道的氨流量分布不均，或由于催化劑老化、堵塞等因素而導(dǎo)致氨逃逸過量時(shí)（通常要求氨逃逸不能大于3ppm），逃逸的NH3與SO3反應(yīng)產(chǎn)生大量的粘性NH3HSO4，與煙氣中的粉塵結(jié)合后形成大量的強(qiáng)粘性灰。超過了原有電除塵及袋除塵除灰的能力，打破了這種平衡。粘性飛灰吸附在電除塵陰極針刺線上，造成陰極針刺線針尖肥大，電場二次電流過小，無法建立正常電暈功率的電場，導(dǎo)致除塵效率下降。電除塵除塵效率的下降又導(dǎo)致更多的粘性灰無法得到有效清除，陰極針刺線針尖被粘性灰包裹的越來越大，這樣就形成了一種惡性循環(huán)，最終結(jié)果甚至導(dǎo)致電除塵徹底喪失除塵的功能。另一方面，粘性飛灰吸附在陽極板上無法通過陽極振打裝置有效清灰，從而造成陰陽極異極距減小，二次電壓過小，同樣無法獲得正常的電暈功率，降低電除塵效率。

過量氨逃逸對電袋復(fù)合除塵器布袋除塵的不利影響。布袋除塵基本原理是通過濾袋纖維及濾袋表面形成的粉塵層對粉塵粒子的捕獲來達(dá)到煙氣凈化目的，粉塵粒子主要是通過慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散、篩分作用吸附在濾袋表面，當(dāng)吸附在濾袋表面的粉塵層達(dá)到一定厚度時(shí)，通過脈沖噴吹裝置向?yàn)V袋內(nèi)部噴吹壓縮空氣氣流，使濾袋鼓脹變形產(chǎn)生對粉塵的作用力以及噴射氣流誘發(fā)的清灰作用力來實(shí)現(xiàn)濾袋表面清灰功能。布袋透氣性好壞決定布袋除塵性能和布袋除塵器壓差降的大小。過量氨逃逸導(dǎo)致的粘性飛灰大量吸附在濾袋外表面無法通過有效地清灰裝置清除，吸附在濾袋表面的大量粘性灰造成濾袋纖維孔隙堵塞，在濾袋表面形成板結(jié)的塊狀物，造成濾袋透氣性差，無法實(shí)現(xiàn)袋除塵功能，同時(shí)造成布袋除塵器前后壓差過大，影響風(fēng)機(jī)出力，甚至影響鍋爐負(fù)荷。

3 脫硝后煙氣成分改變對電袋復(fù)合除塵器影響相關(guān)應(yīng)用實(shí)例及措施建議

3.1 北京京能石景山熱電廠脫硝后煙氣對電袋復(fù)合除塵器的積極影響

電袋復(fù)合除塵器項(xiàng)目中，其中北京京能石景山熱電廠1 號、3 號爐電袋復(fù)合除塵器分別于2008 年3 月、5 月改造完工并正式投入運(yùn)行，兩臺爐脫硝裝置于2008 年6月正式投入運(yùn)行。該項(xiàng)目為奧運(yùn)工程，對環(huán)保要求極高，氮氧化物和粉塵的排放要求非常嚴(yán)。脫硝裝置和除塵器都選用國內(nèi)行業(yè)內(nèi)技術(shù)成熟、領(lǐng)先的知名廠家設(shè)備，且該電廠運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)成熟、規(guī)范。經(jīng)過兩年的運(yùn)行表明，兩爐電袋復(fù)合除塵器的出口排放濃度都穩(wěn)定≤20mg/Nm3，阻力小于800Pa，清灰周期10 小時(shí)以上，濾袋零破損。在多次停爐檢修時(shí)，殼體墻板、陰極裝置、陽極板、濾袋表面等處均未發(fā)現(xiàn)有異常粘性粉塵層。因此，從北京京能石景山熱電廠實(shí)踐中證明了脫硝后少量氨逃逸現(xiàn)象是不影響電袋復(fù)合除塵器的正常使用的。

3.2 華東某電廠600MW 機(jī)組脫硝后煙氣對電袋復(fù)合除塵器的負(fù)面影響

位于華東地區(qū)某大型火力發(fā)電廠2 號機(jī)組與北京京能石景山熱電廠脫硝后煙氣對電袋復(fù)合除塵器的積極影響是相反的情況。該機(jī)組為600MW 超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐采用超臨界直流鍋爐，空氣預(yù)熱器采用三分容克式回轉(zhuǎn)空預(yù)器，設(shè)SCR 脫硝和濕法脫硝裝置。

表1 2011 年10 月與2012 年9 月除塵器性能測試數(shù)據(jù)對比

電袋復(fù)合除塵器設(shè)計(jì)按常規(guī)的“2 電＋2 袋”設(shè)計(jì)方案，該項(xiàng)目于2011 年7 月份正式并網(wǎng)投運(yùn)，在機(jī)組168h 滿負(fù)荷試運(yùn)行時(shí)電袋復(fù)合除塵器進(jìn)出口差壓穩(wěn)定在600Pa-800Pa 范圍內(nèi)，投運(yùn)初期3 個(gè)月內(nèi)進(jìn)出口長期差壓穩(wěn)定在800Pa-1000Pa 范圍內(nèi)。2011 年10 月底電廠委托該省電科院測試除塵器性能，脫硝系統(tǒng)未投入運(yùn)行，除塵器阻力僅為619Pa；除塵器制造廠家質(zhì)量部門于2012 年9 月份對機(jī)組進(jìn)行性能測試，脫硝系統(tǒng)已經(jīng)投運(yùn)8 個(gè)月（脫硝系統(tǒng)正式于1 月份開始投運(yùn)），阻力升至1690Pa。兩次性能測試具體數(shù)據(jù)對比如表1。

圖2 第一次檢修時(shí)陰極針刺線照片

圖3 第二次檢修時(shí)陰極針刺線照片

圖4 第一次檢修時(shí)布袋外表面照片

圖5 第二次檢修時(shí)布袋外表面照片

從表1 中可以得知2012 年9 月份，脫硝裝置投運(yùn)8個(gè)月后，除塵器阻力上升明顯。

該機(jī)組自投入運(yùn)行以來，電袋除塵器經(jīng)歷了2 次停爐檢修，對比照片如圖2、圖3。

圖2、圖3 為兩次停爐檢修時(shí)現(xiàn)場拍取的陰極針刺線照片，可以明顯看出圖3 針刺線已經(jīng)被飛灰包裹肥大，且粘性飛灰經(jīng)過針刺線尖端放電灼燒后形成硬質(zhì)結(jié)晶體，很難剝離。

圖4、圖5 為兩次停爐檢修時(shí)的濾袋照片，可以看出，第二次檢修時(shí)濾袋表面有積灰板結(jié)現(xiàn)象。經(jīng)專業(yè)儀器檢測，濾袋透氣性僅為7.7-20.2L/dm2·min。

出現(xiàn)針刺線肥大及濾袋表面積灰板結(jié)原因與脫硝系統(tǒng)氨逃逸有關(guān)，據(jù)業(yè)主反饋，該機(jī)組脫硝系統(tǒng)一直帶故障運(yùn)行，氨無法自動均勻投入，氨逃逸監(jiān)視儀故障，因此無法準(zhǔn)確控制氨的投入量。在第二次檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)噴氨裝置6 個(gè)噴嘴脫落，大量氨泄漏。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)說明，當(dāng)氨逃逸量超過3ppm 時(shí)，會產(chǎn)生大量硫酸氫銨。

針對脫硝系統(tǒng)氨逃逸造成電袋復(fù)合除塵器除塵效率降低，進(jìn)出口差壓過大將影響整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的情況，該電廠后來檢修時(shí)用鋼刷清除掉包裹在陰極針刺線上的硬質(zhì)顆粒物，使電區(qū)恢復(fù)正常運(yùn)行。另袋區(qū)采取移動強(qiáng)力清灰裝置清除布袋表面塊狀物。同時(shí)，在對脫硝系統(tǒng)噴氨裝置修復(fù)后嚴(yán)格限制噴氨量，運(yùn)行3 個(gè)月以來，除塵器進(jìn)出口壓差一直穩(wěn)定維持在800Pa-1200Pa。

4 結(jié)束語

SCR 脫硝后煙氣成分的改變對電袋復(fù)合除塵器性能有積極的一面，但過量的氨逃逸則對電袋復(fù)合除塵器的影響是非常不利的，電廠運(yùn)行管理人員應(yīng)該充分認(rèn)識到脫硝副產(chǎn)物硫酸氫銨對電袋復(fù)合除塵器負(fù)面影響，在日常運(yùn)行中，嚴(yán)格監(jiān)視脫硝裝置氨逃逸，控制氨逃逸在一定的范圍之內(nèi)。同時(shí)，在電袋復(fù)合除塵器檢修時(shí)重點(diǎn)對陰極針刺線針尖積灰情況以及抽取濾袋檢查表面積灰是否板結(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取補(bǔ)救措施，使電袋復(fù)合除塵器性能獲得最佳狀態(tài)，兼顧脫硝裝置脫除氮氧化物和除塵器除塵同步達(dá)標(biāo)。