某電廠選擇性催化還原脫硝裝置故障診斷

劉曉旭，蘇濤，劉海杰，李豐波

（河北建投沙河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 055450）

根據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì)，2021 年我國(guó)煤電裝機(jī)總量占總發(fā)電裝機(jī)容量的46.7%，煤電發(fā)電量占總發(fā)電量的60.0%。無(wú)論是從裝機(jī)規(guī)模還是從發(fā)電量上看，煤電仍然是當(dāng)前我國(guó)電力供應(yīng)的最主要電源，也是保障我國(guó)電力安全穩(wěn)定供應(yīng)的基礎(chǔ)電源。然而，煤電在提供電力的同時(shí)，其產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）對(duì)我國(guó)的環(huán)境空氣質(zhì)量也產(chǎn)生了負(fù)面影響。目前，機(jī)組NOx的減排技術(shù)包括低氮燃燒控制、選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)、選擇性催化還原（SCR）技術(shù)[1—3]。其中，SCR 因其脫硝效率高、技術(shù)成熟、無(wú)二次污染的優(yōu)勢(shì)，一直作為機(jī)組NOx減排的末端治理工藝在燃煤電廠廣泛應(yīng)用[4,5]。

然而，在實(shí)際運(yùn)行中，SCR 裝置經(jīng)常出現(xiàn)因氨逃逸增加造成的空預(yù)器積灰堵塞問(wèn)題，增加了煙風(fēng)系統(tǒng)阻力，嚴(yán)重影響了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)、安全及穩(wěn)定運(yùn)行[6,7]。因此，本文以某火電廠為例，對(duì)其脫硝系統(tǒng)進(jìn)行診斷分析，探索故障原因并進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，提出了改造建議，以期為我國(guó)SCR 脫硝系統(tǒng)精益化運(yùn)行及檢修提供參考。

1 機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)介紹

某火電廠1#機(jī)組裝機(jī)容量為600MW，SCR 脫硝系統(tǒng)為后期加裝，設(shè)置了A、B 兩個(gè)反應(yīng)器。所用催化劑為蜂窩式，在反應(yīng)器中分2 層布置，設(shè)計(jì)連續(xù)運(yùn)行溫度為290℃—410℃，采用聲波吹灰器及蒸汽吹灰器聯(lián)合吹灰方式。SCR 脫硝系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某電廠1#機(jī)組SCR 脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

機(jī)組運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，空預(yù)器壓差持續(xù)升高，而且在低負(fù)荷工況條件下，脫硝出口氨逃逸濃度超過(guò)了2.28mg/m3的設(shè)計(jì)值。為解決上述問(wèn)題，對(duì)脫硝裝置性能開(kāi)展了系統(tǒng)評(píng)價(jià)，分析了流場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)、氨逃逸及催化劑工藝特性等關(guān)鍵參數(shù)。

2 脫硝裝置評(píng)價(jià)方法

為了診斷脫硝裝置故障，評(píng)價(jià)過(guò)程在低負(fù)荷300MW 工況下進(jìn)行。流場(chǎng)測(cè)試位置為脫硝入口，NOx濃度場(chǎng)和氨逃逸測(cè)試位置為脫硝出口，均參照《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996），以網(wǎng)格布點(diǎn)的方式開(kāi)展測(cè)試，每側(cè)反應(yīng)器選擇7 個(gè)測(cè)孔，每個(gè)測(cè)孔布置4 個(gè)采樣深度，由淺入深設(shè)置為深度1—深度4。

煙氣中NOx、氧氣（O2）等濃度采用MRU-MGA5+型便攜式紅外煙氣分析儀測(cè)試；逃逸氨參照《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》（DL/T 260—2012）進(jìn)行采樣，每個(gè)測(cè)孔采集1 個(gè)樣品，并利用靛酚藍(lán)分光光度法測(cè)定；煙氣流速采用3012-H 型分析儀測(cè)試。催化劑工藝特性檢測(cè)參照《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（DL/T 1286—2021），在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用脫硝催化劑性能評(píng)價(jià)裝置進(jìn)行抽取催化劑樣品的檢測(cè)，項(xiàng)目包括活性和NOx最低排放控制濃度。其中，前者測(cè)定過(guò)程為：控制裝置入口氨氮摩爾比為1.05，測(cè)試出口NOx濃度并經(jīng)過(guò)下面公式計(jì)算獲得結(jié)果；后者測(cè)定過(guò)程為：緩慢增加裝置入口噴氨量，以出口氨逃逸穩(wěn)定達(dá)到2.28mg/m3時(shí)的出口NOx濃度為結(jié)果。

催化劑活性計(jì)算公式：

式中，Av為催化劑的活性，m/h；C0、C分別為性能評(píng)價(jià)裝置入口、出口NOx濃度，mg/m3。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)測(cè)試及分析

流場(chǎng)能夠綜合反映截面的煙氣流速分布情況。依據(jù)《火電廠煙氣脫硝技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 296—2011），在噴氨裝置上游，煙道內(nèi)各處煙氣流速與平均流速的偏差應(yīng)不超過(guò)±15%。1#機(jī)組SCR 裝置A、B 兩側(cè)反應(yīng)器入口截面流場(chǎng)分布情況如圖1 所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，SCR 裝置A、B 入口截面兩側(cè)平均流速分別為7.78m/s、6.72m/s，各點(diǎn)位置與平均流速的偏差分別為-32.52%—23.21%、-22.32%—24.24%，均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的推薦值。流速過(guò)高，一方面會(huì)縮短煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間，降低脫硝效率；另一方面也會(huì)加速催化劑磨損，引起催化劑活性下降；流速過(guò)低容易導(dǎo)致催化劑堵灰。因此，為了保證催化劑的運(yùn)行效果，并減少磨損、堵灰等因素造成的催化劑壽命縮短，電廠應(yīng)對(duì)煙道內(nèi)部導(dǎo)流裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，改善煙氣流場(chǎng)分布均勻性。

3.2 濃度場(chǎng)測(cè)試及分析

SCR 裝置A、B 兩側(cè)反應(yīng)器出口截面濃度場(chǎng)分布情況如圖2 所示?？梢钥闯?，SCR 裝置A、B 兩側(cè)出口NOx濃度分布極不均勻，而且均呈現(xiàn)中間區(qū)域濃度低、兩邊濃度高的趨勢(shì)。整個(gè)截面平均濃度分別為28.07mg/m3、22.11mg/m3，最高濃度分別為57.18mg/m3、46.29mg/m3，最低濃度分別僅為7.15mg/m3、4.38mg/m3。經(jīng)計(jì)算，兩側(cè)各位置NOx濃度與平均值的偏差為-74.53%—103.71%、-80.19%—109.36%。

圖1 SCR 裝置A、B 側(cè)脫硝入口流場(chǎng)分布情況圖

圖2 SCR 裝置A、B 側(cè)脫硝出口NOx 濃度場(chǎng)分布情況圖

SCR 裝置A、B 兩側(cè)反應(yīng)器出口各測(cè)孔的氨逃逸濃度測(cè)試結(jié)果如表2 所示。結(jié)果表明，兩側(cè)反應(yīng)器出口大部分測(cè)孔的氨逃逸濃度均超過(guò)了2.28mg/m3的設(shè)計(jì)值，單孔最高濃度分別達(dá)到了8.81mg/m3、14.38mg/m3，截面平均值分別為4.21mg/m3、7.18mg/m3。高氨逃逸不僅增加了系統(tǒng)氨耗，也促使氨與煙氣中的SO3反應(yīng)形成高黏性的硫酸氫銨，極易在空預(yù)器冷端凝結(jié)[8，9]，這是造成空預(yù)器差壓升高的直接原因。對(duì)比氨逃逸與NOx濃度分布可以看出，在NOx濃度均值低的測(cè)孔位置具有較高的氨逃逸濃度，因此推測(cè)通過(guò)調(diào)整各區(qū)域噴氨量可以適當(dāng)降低出口氨逃逸濃度。

表2 SCR 裝置A、B 側(cè)出口氨逃逸濃度

3.3 催化劑檢測(cè)

催化劑活性是評(píng)價(jià)催化劑性能、預(yù)估其使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。NOx最低排放控制濃度可用于脫硝運(yùn)行指導(dǎo)和噴氨格柵調(diào)整。對(duì)新鮮催化劑和SCR 裝置A、B 側(cè)抽取的催化劑樣品檢測(cè)均在設(shè)計(jì)煙氣條件下進(jìn)行，即裝置入口NOx濃度300mg/m3、SO2濃度1200mg/m3、含O2量4.82%、含濕量6%，結(jié)果如表3 所示。

與新鮮催化劑相比，SCR 裝置A、B 反應(yīng)器使用后的催化劑活性均明顯下降，NOx最低排放控制濃度也顯著升高，這可能與孔道堵塞和部分活性組分流失有關(guān)。1#機(jī)組催化劑的設(shè)計(jì)壽命為24 000h，壽命到期活性為30m/h。以活性較低的B 側(cè)催化劑為例，雖然當(dāng)前活性為32.80m/h，仍高于壽命到期值，但是由于催化劑實(shí)際投運(yùn)時(shí)間不超過(guò)13 000h，其活性與設(shè)計(jì)使用時(shí)長(zhǎng)17 000h 的催化劑活性接近，說(shuō)明催化劑存在加速衰減情況。如果以當(dāng)前條件繼續(xù)運(yùn)行，預(yù)估5000h 以后就需加裝或更換催化劑。因此，電廠應(yīng)根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況，合理制定檢修計(jì)劃，提前進(jìn)行催化劑選型，適時(shí)更換原有催化劑或加裝備用層催化劑。

表3 新鮮催化劑和使用后的催化劑的活性測(cè)試結(jié)果

3.4 噴氨優(yōu)化調(diào)整

根據(jù)催化劑檢測(cè)結(jié)果，為使氨逃逸濃度降低至2.28mg/m3以下，脫硝出口NOx濃度應(yīng)控制在35mg/m3以上。因此，以控制脫硝出口各測(cè)點(diǎn)位置NOx濃度不低于35mg/m3為目標(biāo)，對(duì)脫硝入口噴氨格柵各支管氨氣流量進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，結(jié)果如圖3 所示。調(diào)整后，SCR 裝置A、B 兩側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx平均濃度分別為38.42mg/m3、41.68mg/m3，NOx濃度范圍分別為32.64—54.19mg/m3、34.81—52.87mg/m3。經(jīng)計(jì)算，A、B 兩側(cè)各位置NOx濃度與平均值的偏差為-15.04%—41.05%、-16.48%—26.85%，明顯優(yōu)于調(diào)整前結(jié)果。

圖3 調(diào)整后SCR 裝置A、B 側(cè)脫硝出口NOx 濃度場(chǎng)分布情況圖

噴氨格柵優(yōu)化調(diào)整完成后，再次對(duì)SCR 裝置A、B兩側(cè)反應(yīng)器出口各測(cè)孔的氨逃逸濃度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4 所示。結(jié)果表明，兩側(cè)反應(yīng)器出口所有測(cè)孔的氨逃逸濃度分別為1.21—2.19mg/m3、1.14—1.73mg/m3，截面平均濃度分別為1.70mg/m3、1.42mg/m3，優(yōu)于設(shè)計(jì)值，解決了脫硝出口氨逃逸濃度高的問(wèn)題，提升了機(jī)組運(yùn)行的安全性和環(huán)保性。

表4 調(diào)整后SCR 裝置A、B 兩側(cè)出口氨逃逸濃度

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)組脫硝裝置流場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)、氨逃逸及催化劑工藝特性等參數(shù)進(jìn)行分析測(cè)試，掌握了300MW 工況下脫硝裝置的運(yùn)行特性。結(jié)果表明，流場(chǎng)分布偏差較高、噴氨分布不合理、催化劑活性下降是造成系統(tǒng)故障的主要原因。其中，SCR 裝置A、B 側(cè)入口各位置與平均流速的偏差均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)±15%的推薦值，不僅降低了高流速區(qū)的脫硝效率，也增加了催化劑磨損和堵塞風(fēng)險(xiǎn)；噴氨分布不合理導(dǎo)致出口NOx濃度分布極不均勻，而且大部分位置的氨逃逸濃度均超過(guò)了2.28mg/m3的設(shè)計(jì)值；與新鮮催化劑相比，現(xiàn)役催化劑活性均明顯下降，NOx最低排放控制濃度顯著升高，而且催化劑存在快速衰減情況。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整噴氨格柵各支管氨氣流量，可以顯著改善出口NOx濃度分布，并降低氨逃逸濃度，提升機(jī)組運(yùn)行的安全性和環(huán)保性。針對(duì)電廠脫硝裝置現(xiàn)狀，建議對(duì)反應(yīng)器入口煙道導(dǎo)流及均流裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，提升反應(yīng)器內(nèi)部流速均勻性；合理制定檢修計(jì)劃，提前進(jìn)行催化劑選型，及時(shí)更換原有催化劑或加裝備用層催化劑。