摘要：針對(duì)超低排放形勢(shì)下選擇性催化還原(SCR)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的NOx排放超限、空氣預(yù)熱器硫酸氫銨堵塞加重等問題,分析其主要與超低排放對(duì)SCR反應(yīng)器中NH3/NOx分布的均勻性要求提高,SO2/SO3轉(zhuǎn)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(fù)雜等有關(guān).


對(duì)此,提出了通過噴氨優(yōu)化調(diào)整和流場(chǎng)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(zhuǎn)化率,降低脫硝系統(tǒng)入口噴氨量、SO3質(zhì)量濃度或設(shè)備改造來拓寬低負(fù)荷脫硝運(yùn)行范圍,通過噴氨控制系統(tǒng)優(yōu)化降低NOx排放超標(biāo)及過量噴氨的風(fēng)險(xiǎn),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(duì)實(shí)現(xiàn)燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)的安全、高效及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有指導(dǎo)意義.

關(guān)鍵詞：超低排放;脫硝;SCR;燃煤機(jī)組;NOx排放;硫酸氫銨;空氣預(yù)熱器堵塞;噴氨控制;SO2轉(zhuǎn)化率

面對(duì)國內(nèi)日益嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì),國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)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(jí)改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)”.該計(jì)劃要求,“十三五”期間,火電廠大氣污染物控制將全面實(shí)施超低排放,燃煤電廠排放的大氣污染物質(zhì)量濃度接近“燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值”,即煙塵、二氧化硫、氮氧化物的排放質(zhì)量濃度分別達(dá)到10、35、50mg/m3限值[1].

當(dāng)前,燃煤電廠實(shí)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(shù)的組合.實(shí)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(zhì)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(yùn)行的特點(diǎn),采取有效措施減少其運(yùn)行中出現(xiàn)的新問題,是實(shí)現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)超低排放運(yùn)行的關(guān)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(yùn)行的基礎(chǔ)上,通過提高脫硝效率(通常由目前的60%~80%提高到85%~95%)實(shí)現(xiàn)NOx超低排放的同時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)以下新問題:

1)SCR反應(yīng)器在高效率下運(yùn)行時(shí),不僅需要增加催化劑用量,同時(shí)對(duì)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(huì)造成催化劑的整體SO2氧化率提高,脫硝系統(tǒng)出口SO3質(zhì)量濃度增大,加劇空氣預(yù)熱器硫酸氫銨堵塞的風(fēng)險(xiǎn);

3)將NOx排放質(zhì)量濃度控制到50mg/m3以內(nèi)后,日常運(yùn)行中脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍可能在20~50mg/m3,需要避免NOx排放超標(biāo)和防止過量噴氨;

4)SCR脫硝效率提高,通常會(huì)伴隨著噴氨量的增加,由此會(huì)進(jìn)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(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)行時(shí),氨氮摩爾比變化對(duì)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(dāng)脫硝效率超過90%時(shí),氨逃逸量增大的趨勢(shì)明顯加快,空氣預(yù)熱器形成硫酸氫銨堵塞的風(fēng)險(xiǎn)加大.


圖1氨氮摩爾比變化對(duì)脫硝效率和氨逃逸量的影響

脫硝系統(tǒng)運(yùn)行效果不僅取決于催化劑的性能,還與脫硝反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)優(yōu)劣和NH3與煙氣中NOx的混合均勻性關(guān)系密切.氨氮摩爾比分布偏差對(duì)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(duì)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(shí),當(dāng)脫硝系統(tǒng)入口氨氮摩爾比分布偏差為5%時(shí),對(duì)應(yīng)氨逃逸量在1μL/L以內(nèi);而當(dāng)氨氮摩爾比分布偏差增大到12%時(shí),對(duì)應(yīng)氨逃逸量迅速增至5μL/L以上.

圖3為某電廠1000MW機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)噴氨優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果[5].由圖3可見,在SCR反應(yīng)器噴氨格柵調(diào)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(shí)A側(cè)反應(yīng)器出口截面NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)偏差由15%增至35%,B側(cè)反應(yīng)器出口截面的NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)偏差由16%增至31%.

這是由于SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度過低,其截面NOx質(zhì)量濃度平均值迅速減小所致.


圖3某1000MW機(jī)組SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布相對(duì)偏差與脫硝效率的關(guān)

由上述分析可見,脫硝效率越高,系統(tǒng)對(duì)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(yù)熱器形成硫酸氫銨堵塞的風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)加大.

因此,建議定期進(jìn)行脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),將脫硝噴氨量調(diào)整至最佳值,避免SCR反應(yīng)器出口截面局部氨逃逸量過高,從而提高脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[6].對(duì)于不具備雙向分區(qū)噴氨量調(diào)節(jié)功能的脫硝系統(tǒng),應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改造,以實(shí)現(xiàn)噴氨量的精細(xì)化調(diào)整[7].

2.2SO2氧化率

為實(shí)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(shè)計(jì)入口NOx質(zhì)量濃度為400mg/m3,脫硝效率為80%.為實(shí)現(xiàn)NOx超低排放,在原基礎(chǔ)上增加了第3層備用催化劑.

實(shí)驗(yàn)室中試檢測(cè)結(jié)果表明,脫硝效率提高到90%以上后,SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)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(zhì)量濃度和氨逃逸量的變化趨勢(shì).由圖4可見,第1層催化劑在脫除NOx方面貢獻(xiàn)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(yīng)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(zhì)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(shí)現(xiàn)NOx超低排放的同時(shí)也增加了脫硝反應(yīng)器出口的SO3質(zhì)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?zé)煔饬飨?SO2向SO3的轉(zhuǎn)換率呈加速趨勢(shì),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(guān)[9].因此,通過增加催化劑用量實(shí)現(xiàn)NOx超低排放的同時(shí),會(huì)導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)出口的SO3質(zhì)量濃度迅速提高,加大了空氣預(yù)熱器形成硫酸氫銨堵塞的風(fēng)險(xiǎn).


圖5SO2氧化率沿?zé)煔饬鞒痰淖兓?br />
在保證NOx達(dá)標(biāo)排放的同時(shí),要控制空氣預(yù)熱器硫酸氫銨的生成,需要降低脫硝反應(yīng)器出口煙氣中SO3的質(zhì)量濃度.對(duì)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(yùn)行,當(dāng)鍋爐運(yùn)行工況變化較大時(shí),SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量濃度會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng),為防止NOx排放質(zhì)量濃度瞬時(shí)超過50mg/m3,通常會(huì)將SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定為較低值.

某電廠運(yùn)行中SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值為35mg/m3,設(shè)計(jì)脫硝效率為92%.若按照SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)量出口NOx質(zhì)量濃度為50mg/m3時(shí),對(duì)應(yīng)脫硝效率為90%,若出口NOx質(zhì)量濃度低至20mg/m3時(shí),則對(duì)應(yīng)脫硝效率高達(dá)96%,即該電廠實(shí)際運(yùn)行中脫硝效率變化范圍為90%~96%.

因此,在NOx超低排放形勢(shì)下,脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效率接近SCR技術(shù)的臨界值,過量噴氨風(fēng)險(xiǎn)較大.為保證NOx排放合格,同時(shí)避免過量噴氨,脫硝系統(tǒng)噴氨的優(yōu)化控制至關(guān)重要.以某電廠脫硝控制系統(tǒng)為例,原設(shè)計(jì)脫硝噴氨采用開環(huán)控制,根據(jù)SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度及總風(fēng)量來調(diào)節(jié)噴氨量,不以SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度為控制目標(biāo),因此無法實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)自動(dòng)控制.

該脫硝系統(tǒng)投運(yùn)以來,一直采用手動(dòng)方式調(diào)節(jié)噴氨量,易造成NOx排放質(zhì)量濃度超標(biāo)及過量噴氨等問題.為此,采用PID串級(jí)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)原脫硝過程控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.以SCR反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度及煙氣流量為前饋,以SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度為反饋,計(jì)算出理論噴氨流量,通過PID控制氨流量調(diào)節(jié)閥開度,從而實(shí)現(xiàn)脫硝噴氨量與機(jī)組負(fù)荷、入口NOx質(zhì)量濃度的自動(dòng)協(xié)調(diào)[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(jí)閉環(huán)控制邏輯,但自動(dòng)調(diào)節(jié)噴氨量的效果仍然不佳,這與部分參數(shù)設(shè)置不合理有關(guān),需要對(duì)控制邏輯中各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行整定.參數(shù)整定具體包括:通過實(shí)際測(cè)試及理論計(jì)算對(duì)在線儀表測(cè)量值進(jìn)行修正;對(duì)輸出環(huán)節(jié)計(jì)算過程進(jìn)行核對(duì),并合理確定限幅;通過計(jì)算并結(jié)合試驗(yàn)的方法,對(duì)串級(jí)閉環(huán)控制PID參數(shù)進(jìn)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(yùn)行時(shí)會(huì)在其毛細(xì)微孔內(nèi)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(dá)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(nèi)的形成示意如圖7所示[1].


圖7硫酸氫銨在催化劑微孔內(nèi)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?jǐn)?shù)和SO3及H2O含量φ(SO3)、φ(H2O)之間成函數(shù)關(guān)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(duì)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(dāng)脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度由100mg/m3降至50mg/m3以下時(shí),噴氨量的增加會(huì)導(dǎo)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(yùn)行時(shí),需根據(jù)實(shí)際煙氣參數(shù)及噴氨量的增加情況重新調(diào)整SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行的最低噴氨溫度,并在脫硝系統(tǒng)控制邏輯中修改相應(yīng)的保護(hù)值.


圖8典型催化劑最低噴氨溫度曲線

針對(duì)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)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≌{(diào)整鍋爐運(yùn)行方式或設(shè)備改造方式以滿足低負(fù)荷下噴氨要求[14].

鍋爐運(yùn)行方式調(diào)整主要有:1)改燒或摻燒低硫煤,降低煙氣中SO3質(zhì)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(diào)整試驗(yàn),降低脫硝系統(tǒng)入口NOx質(zhì)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(yùn)行模式,適當(dāng)提高脫硝設(shè)備系統(tǒng)入口煙溫,從而滿足最低噴氨溫度需要.

設(shè)備改造方式主要有:

1)增加省煤器煙氣調(diào)溫旁路,通過引入高溫?zé)煔鈦硖岣呙撓跸到y(tǒng)入口煙溫;

2)通過省煤器受熱面分級(jí),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(duì)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(zhì)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(jì)有效地使用催化劑,根據(jù)不同階段催化劑的實(shí)際運(yùn)行性能,適當(dāng)?shù)卦黾印⒏鼡Q或再生催化劑,從而在確保NOx達(dá)標(biāo)排放和設(shè)備安全運(yùn)行的前提下,將脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行成本降至最低.

脫硝系統(tǒng)催化劑的設(shè)計(jì)化學(xué)壽命通常為24000h,當(dāng)催化劑的脫硝性能下降至不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),首先添加備用層催化劑,然后根據(jù)催化劑的實(shí)際性能下降情況更換或再生催化劑,以達(dá)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(duì)于已經(jīng)進(jìn)行NOx超低排放改造的機(jī)組,由于NOx排放控制目標(biāo)和脫硝效率發(fā)生變化,原催化劑的設(shè)計(jì)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(jìn)行催化劑的壽命管理,需要對(duì)舊催化劑和新裝層(或再生)催化劑的性能進(jìn)行定期檢測(cè),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(jié)論及建議

1)為實(shí)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(diào)整,必要時(shí)進(jìn)行氨噴射系統(tǒng)的優(yōu)化改造.

2)為避免空氣預(yù)熱器發(fā)生硫酸氫銨堵塞的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)盡量減少催化劑的用量,嚴(yán)格控制催化劑中的釩含量和燃煤硫含量,同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)脫硝系統(tǒng)氨逃逸的控制.

3)實(shí)現(xiàn)NOx超低排放后,為防止NOx排放超標(biāo)和過量噴氨,需提高脫硝噴氨控制系統(tǒng)的精度,定期進(jìn)行各層催化劑性能檢測(cè),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(huì)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(shí)際煙氣參數(shù)和噴氨量的變化對(duì)催化劑原設(shè)計(jì)最低噴氨溫度做相應(yīng)調(diào)整.

參考文獻(xiàn)略

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