摘要：針對超低排放形勢下選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的NOx排放超限、空氣預熱器硫酸氫銨堵塞加重等問題,分析其主要與超低排放對SCR反應器中NH3/NOx分布的均勻性要求提高,SO2/SO3轉化率升高,噴氨優(yōu)化控制要求提高,最低噴氨溫度升高及催化劑壽命管理更加復雜等有關.


對此,提出了通過噴氨優(yōu)化調整和流場優(yōu)化改造改善NH3/NOx分布均勻性,減少催化劑的用量及釩含量控制SO2/SO3轉化率,降低脫硝系統(tǒng)入口噴氨量、SO3質量濃度或設備改造來拓寬低負荷脫硝運行范圍,通過噴氨控制系統(tǒng)優(yōu)化降低NOx排放超標及過量噴氨的風險,采取有效的催化劑壽命管理延長催化劑使用壽命、降低廢催化劑產(chǎn)生量等解決方案.對實現(xiàn)燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)的安全、高效及經(jīng)濟運行具有指導意義.

關鍵詞：超低排放;脫硝;SCR;燃煤機組;NOx排放;硫酸氫銨;空氣預熱器堵塞;噴氨控制;SO2轉化率

面對國內日益嚴峻的環(huán)保形勢,國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護部、國家能源局于2014年9月12日聯(lián)合發(fā)布了“煤電節(jié)能減排升級改造行動計劃(2014—2020年)”.該計劃要求,“十三五”期間,火電廠大氣污染物控制將全面實施超低排放,燃煤電廠排放的大氣污染物質量濃度接近“燃氣輪機組排放限值”,即煙塵、二氧化硫、氮氧化物的排放質量濃度分別達到10、35、50mg/m3限值[1].

當前,燃煤電廠實現(xiàn)NOx超低排放主要采用選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)自身提效,或低氮燃燒(LNB)、非選擇性催化還原(SNCR)與SCR技術的組合.實現(xiàn)NOx超低排放需要提高SCR脫硝效率,這通常伴隨著NOx排放控制質量濃度降低、脫硝系統(tǒng)噴氨量和催化劑用量增加及SO2氧化率提高等.

因此,了解和掌握NOx超低排放下SCR脫硝系統(tǒng)運行的特點,采取有效措施減少其運行中出現(xiàn)的新問題,是實現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)超低排放運行的關鍵[2].

1NOx超低排放存在新問題

燃煤電廠在現(xiàn)有SCR脫硝系統(tǒng)運行的基礎上,通過提高脫硝效率(通常由目前的60%~80%提高到85%~95%)實現(xiàn)NOx超低排放的同時,可能會出現(xiàn)以下新問題:

1)SCR反應器在高效率下運行時,不僅需要增加催化劑用量,同時對脫硝系統(tǒng)入口NH3/NOx混合均勻性的要求明顯提高;

2)增加催化劑用量,會造成催化劑的整體SO2氧化率提高,脫硝系統(tǒng)出口SO3質量濃度增大,加劇空氣預熱器硫酸氫銨堵塞的風險;

3)將NOx排放質量濃度控制到50mg/m3以內后,日常運行中脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度波動范圍可能在20~50mg/m3,需要避免NOx排放超標和防止過量噴氨;

4)SCR脫硝效率提高,通常會伴隨著噴氨量的增加,由此會進一步提高脫硝系統(tǒng)的最低噴氨溫度;

5)提高脫硝效率大多采用增加備用層催化劑的方案,從而改變了現(xiàn)有催化劑的設計壽命管理方案,需重新制定催化劑的壽命管理策略.

2問題分析及對策

2.1 NH3/NOx混合均勻性

SCR脫硝系統(tǒng)在較高的脫硝效率下運行時,氨氮摩爾比變化對脫硝效率和氨逃逸量的影響如圖1所示[3].由圖1可見,隨著氨氮摩爾比增大,脫硝效率升高,氨逃逸量也逐漸增大,尤其當脫硝效率超過90%時,氨逃逸量增大的趨勢明顯加快,空氣預熱器形成硫酸氫銨堵塞的風險加大.


圖1氨氮摩爾比變化對脫硝效率和氨逃逸量的影響

脫硝系統(tǒng)運行效果不僅取決于催化劑的性能,還與脫硝反應器內的流場優(yōu)劣和NH3與煙氣中NOx的混合均勻性關系密切.氨氮摩爾比分布偏差對脫硝性能的影響如圖2所示[4].


圖2氨氮摩爾比分布偏差對脫硝性能的影響

由圖2可見,在催化劑體積量一定,脫硝效率為90%時,當脫硝系統(tǒng)入口氨氮摩爾比分布偏差為5%時,對應氨逃逸量在1μL/L以內;而當氨氮摩爾比分布偏差增大到12%時,對應氨逃逸量迅速增至5μL/L以上.

圖3為某電廠1000MW機組現(xiàn)場噴氨優(yōu)化試驗結果[5].由圖3可見,在SCR反應器噴氨格柵調節(jié)閥開度固定的情況下,逐漸增加噴氨量,脫硝效率由82%升至97%,此時A側反應器出口截面NOx質量濃度分布相對偏差由15%增至35%,B側反應器出口截面的NOx質量濃度分布相對偏差由16%增至31%.

這是由于SCR反應器出口NOx質量濃度過低,其截面NOx質量濃度平均值迅速減小所致.


圖3某1000MW機組SCR反應器出口NOx質量濃度分布相對偏差與脫硝效率的關

由上述分析可見,脫硝效率越高,系統(tǒng)對NH3與煙氣中NOx混合均勻性的要求就越高,控制氨逃逸量的難度增大,空氣預熱器形成硫酸氫銨堵塞的風險也相應加大.

因此,建議定期進行脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調整試驗,將脫硝噴氨量調整至最佳值,避免SCR反應器出口截面局部氨逃逸量過高,從而提高脫硝系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性[6].對于不具備雙向分區(qū)噴氨量調節(jié)功能的脫硝系統(tǒng),應對其進行優(yōu)化改造,以實現(xiàn)噴氨量的精細化調整[7].

2.2SO2氧化率

為實現(xiàn)NOx超低排放,通常需要增加催化劑體積量.脫硝系統(tǒng)催化劑多采用“兩用一備”或“三用一備”模式布置.某電廠原SCR脫硝系統(tǒng)設計入口NOx質量濃度為400mg/m3,脫硝效率為80%.為實現(xiàn)NOx超低排放,在原基礎上增加了第3層備用催化劑.

實驗室中試檢測結果表明,脫硝效率提高到90%以上后,SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度由之前的44.6mg/m3降至34.2mg/m3,氨逃逸量由之前的4.4μL/L降至0.9μL/L.圖4為增加第3層備用催化劑后各層催化劑出口NOx質量濃度和氨逃逸量的變化趨勢.由圖4可見,第1層催化劑在脫除NOx方面貢獻較大,而第3層催化劑的主要作用在于脫除上游未參與反應的NH3[8].


圖4增加第3層備用催化劑后各層催化劑出口NOx質量濃度和氨逃逸量的變化

脫硝系統(tǒng)增加催化劑體積量,在實現(xiàn)NOx超低排放的同時也增加了脫硝反應器出口的SO3質量濃度.某電廠SCR脫硝系統(tǒng)配置3層催化劑,其各催化劑層SO2氧化率變化情況如圖5所示.由圖5可見,沿煙氣流向,SO2向SO3的轉換率呈加速趨勢,這與脫硝系統(tǒng)增加備用層后催化劑面速度迅速減小有關[9].因此,通過增加催化劑用量實現(xiàn)NOx超低排放的同時,會導致脫硝系統(tǒng)出口的SO3質量濃度迅速提高,加大了空氣預熱器形成硫酸氫銨堵塞的風險.


圖5SO2氧化率沿煙氣流程的變化

在保證NOx達標排放的同時,要控制空氣預熱器硫酸氫銨的生成,需要降低脫硝反應器出口煙氣中SO3的質量濃度.對此可采取以下措施降低SO2氧化率:1)盡量減少催化劑的使用量;2)控制催化劑中的釩含量;3)通過改燒、摻燒措施降低燃煤中硫的含量.

2.3噴氨控制

脫硝系統(tǒng)在較高脫硝效率下運行,當鍋爐運行工況變化較大時,SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質量濃度會出現(xiàn)一定程度的波動,為防止NOx排放質量濃度瞬時超過50mg/m3,通常會將SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度設定為較低值.

某電廠運行中SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度設定值為35mg/m3,設計脫硝效率為92%.若按照SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質量出口NOx質量濃度為50mg/m3時,對應脫硝效率為90%,若出口NOx質量濃度低至20mg/m3時,則對應脫硝效率高達96%,即該電廠實際運行中脫硝效率變化范圍為90%~96%.

因此,在NOx超低排放形勢下,脫硝系統(tǒng)的運行效率接近SCR技術的臨界值,過量噴氨風險較大.為保證NOx排放合格,同時避免過量噴氨,脫硝系統(tǒng)噴氨的優(yōu)化控制至關重要.以某電廠脫硝控制系統(tǒng)為例,原設計脫硝噴氨采用開環(huán)控制,根據(jù)SCR反應器入口NOx質量濃度及總風量來調節(jié)噴氨量,不以SCR反應器出口NOx質量濃度為控制目標,因此無法實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)自動控制.

該脫硝系統(tǒng)投運以來,一直采用手動方式調節(jié)噴氨量,易造成NOx排放質量濃度超標及過量噴氨等問題.為此,采用PID串級閉環(huán)控制系統(tǒng)對原脫硝過程控制系統(tǒng)進行優(yōu)化.以SCR反應器入口NOx質量濃度及煙氣流量為前饋,以SCR反應器出口NOx質量濃度為反饋,計算出理論噴氨流量,通過PID控制氨流量調節(jié)閥開度,從而實現(xiàn)脫硝噴氨量與機組負荷、入口NOx質量濃度的自動協(xié)調[10].圖6為優(yōu)化前后脫硝噴氨控制系統(tǒng).


圖6優(yōu)化前后脫硝噴氨控制系統(tǒng)

部分電廠脫硝噴氨控制系統(tǒng)采用串級閉環(huán)控制邏輯,但自動調節(jié)噴氨量的效果仍然不佳,這與部分參數(shù)設置不合理有關,需要對控制邏輯中各項參數(shù)進行整定.參數(shù)整定具體包括:通過實際測試及理論計算對在線儀表測量值進行修正;對輸出環(huán)節(jié)計算過程進行核對,并合理確定限幅;通過計算并結合試驗的方法,對串級閉環(huán)控制PID參數(shù)進行優(yōu)化整定.

2.4最低噴氨溫度

由于燃煤鍋爐煙氣中存在SO3,催化劑在低溫下運行時會在其毛細微孔內產(chǎn)生硫酸氫銨,造成催化劑微孔堵塞,使得還原劑NH3和煙氣中的NOx難以到達催化劑活性位上,從而表現(xiàn)為催化劑活性降低及硫酸氫銨中毒現(xiàn)象.硫酸氫銨在催化劑微孔內的形成示意如圖7所示[1].


圖7硫酸氫銨在催化劑微孔內的形成示意

低溫下煙氣中的SO3、NH3及H2O形成硫酸氫銨的過程為：SO3+NH3+H2O→NH4HSO4(1)

最低噴氨溫度T與入口噴氨量φ(NH3)體積分數(shù)和SO3及H2O含量φ(SO3)、φ(H2O)之間成函數(shù)關系,即T=F(φ(SO3)、φ(NH3)、φ(H2O)).硫酸氫銨的生成量與煙氣中的SO3、NH3及H2O含量成正比.SO3含量對最低噴氨溫度的影響最大,NH3次之,H2O最小[11G12].某典型催化劑的最低噴氨溫度曲線如圖8所示[13].

在煙氣中SO3和H2O含量一定的情況下,當脫硝系統(tǒng)出口NOx質量濃度由100mg/m3降至50mg/m3以下時,噴氨量的增加會導致φ(NH3)×φ(SO3)的增加,從而使最低噴氨溫度的升高.因此,脫硝系統(tǒng)運行時,需根據(jù)實際煙氣參數(shù)及噴氨量的增加情況重新調整SCR脫硝系統(tǒng)運行的最低噴氨溫度,并在脫硝系統(tǒng)控制邏輯中修改相應的保護值.


圖8典型催化劑最低噴氨溫度曲線

針對機組低負荷運行時脫硝系統(tǒng)入口煙溫低于最低噴氨溫度的情況,根據(jù)溫差的大小,通?？刹扇≌{整鍋爐運行方式或設備改造方式以滿足低負荷下噴氨要求[14].

鍋爐運行方式調整主要有:1)改燒或摻燒低硫煤,降低煙氣中SO3質量濃度,從而降低催化劑的最低噴氨溫度;2)通過鍋爐燃燒優(yōu)化調整試驗,降低脫硝系統(tǒng)入口NOx質量濃度,即通過減少噴氨量來降低最低噴氨溫度;3)通過改變鍋爐運行模式,適當提高脫硝設備系統(tǒng)入口煙溫,從而滿足最低噴氨溫度需要.

設備改造方式主要有:

1)增加省煤器煙氣調溫旁路,通過引入高溫煙氣來提高脫硝系統(tǒng)入口煙溫;

2)通過省煤器受熱面分級,提高催化劑入口煙溫;

3)通過省煤器給水旁路或給水加熱等方式,減少煙氣吸熱量,提高催化劑入口煙溫;

4)對于非低氮燃燒鍋爐,可通過深度低氮改造降低脫硝系統(tǒng)入口NOx質量濃度,從而減少噴氨量,降低最低噴氨溫度.

2.5催化劑壽命管理

催化劑壽命管理的目的在于經(jīng)濟有效地使用催化劑,根據(jù)不同階段催化劑的實際運行性能,適當?shù)卦黾?、更換或再生催化劑,從而在確保NOx達標排放和設備安全運行的前提下,將脫硝系統(tǒng)的運行成本降至最低.

脫硝系統(tǒng)催化劑的設計化學壽命通常為24000h,當催化劑的脫硝性能下降至不能滿足設計要求時,首先添加備用層催化劑,然后根據(jù)催化劑的實際性能下降情況更換或再生催化劑,以達到充分發(fā)揮舊催化劑的殘余活性,延長催化劑的整體使用壽命的目的[15G16].

對于已經(jīng)進行NOx超低排放改造的機組,由于NOx排放控制目標和脫硝效率發(fā)生變化,原催化劑的設計更換管理周期將發(fā)生改變,備用層催化劑的提前加裝將使得催化劑的更換頻率增加.為有效進行催化劑的壽命管理,需要對舊催化劑和新裝層(或再生)催化劑的性能進行定期檢測,研究不同層催化劑失活規(guī)律和原因,從而制定合適的催化劑更換管理方案.

3結論及建議

1)為實現(xiàn)NOx的超低排放,提高SCR脫硝效率,不僅需要增加催化劑體積量,還需提高脫硝系統(tǒng)入口NH3/NOx混合均勻性,因此需重視脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調整,必要時進行氨噴射系統(tǒng)的優(yōu)化改造.

2)為避免空氣預熱器發(fā)生硫酸氫銨堵塞的風險,應盡量減少催化劑的用量,嚴格控制催化劑中的釩含量和燃煤硫含量,同時進一步加強脫硝系統(tǒng)氨逃逸的控制.

3)實現(xiàn)NOx超低排放后,為防止NOx排放超標和過量噴氨,需提高脫硝噴氨控制系統(tǒng)的精度,定期進行各層催化劑性能檢測,研究不同層催化劑失活規(guī)律,從而制定合理的催化劑壽命管理策略.

4)SCR脫硝系統(tǒng)噴氨量的增加會在一定程度上提高脫硝系統(tǒng)的最低噴氨溫度,需根據(jù)實際煙氣參數(shù)和噴氨量的變化對催化劑原設計最低噴氨溫度做相應調整.

參考文獻略

《勢力發(fā)電》作者：王樂樂，孔凡海,何金亮,方朝君,楊恂,雷嗣遠,姚燕,楊曉寧