安徽省燃煤機組SCR脫硝裝置運行情況及分析

馬大衛(wèi)，查智明，黃齊順，許勇毅

(安徽省電力科學研究院，安徽合肥230061)

安徽省燃煤機組SCR脫硝裝置運行情況及分析

馬大衛(wèi)，查智明，黃齊順，許勇毅

(安徽省電力科學研究院，安徽合肥230061)

對燃煤機組SCR脫硝裝置運行中問題進行了分析研究，探討了煙氣流場不均、NH3/NOx摩爾比分布不均、空預器結垢嚴重和脫硝CEMS代表性差的原因及相應措施。結果發(fā)現(xiàn)，通過脫硝入口煙道導流及整流、噴氨優(yōu)化及嚴格控制氨逃逸率，明顯改善SCR脫硝裝置運行效果和提高脫硝效率，研究結果對節(jié)能減排工作有促進作用。

氮氧化物;SCR脫硝;噴氨優(yōu)化;氨逃逸;CEMS

0 引言

氮氧化物(NOx)是大氣主要污染物之一，也是造成光化學煙霧和酸雨的主要原因［1］。隨著我國火電建設步伐的加快，控制燃煤電廠NOx的排放已成為電力工業(yè)“十二五”環(huán)保工作的重中之重。根據(jù)皖能源電力《關于加快推進全省“十二五”燃煤機組脫硝減排工程建設的指導意見》精神，加快推進全省“十二五”燃煤機組脫硝減排工程建設，確保實現(xiàn)全省NOx排放總量控制目標，安徽省率先于2012年開展脫硝環(huán)保改造。截止2014年6月，全省58臺300MW以上機組的脫硝改造均告順利結束，NOx排放量得到了明顯的控制，全省“清潔火電”工作取得重大進展。2013年上半年，在全省全年火電發(fā)電量增長3%的同時，電力行業(yè)NOx的排放量同比下降了13.56%。2014年上半年，安徽電力行業(yè)NOx排放量占全社會NOx排放量的比重從46%降至32%，2014年統(tǒng)調(diào)燃煤火電機組NOx平均排放濃度為60.17mg/m3［2］。

選擇性催化還原(SCR)技術工藝成熟、脫硝效率高、運行穩(wěn)定，是目前國內(nèi)外應用最為廣泛的煙氣脫硝技術［3］。在實際工程中，很難設計出與大型火電機組完全相匹配的SCR反應器，在低投資成本下，安全、穩(wěn)定運行的高脫硝效率顯得尤為重要。安徽省燃煤電廠經(jīng)過SCR脫硝改造，總體運行良好，然大部分電廠SCR脫硝裝置經(jīng)過兩年多的運行，一些較為普遍的問題逐步暴露出來(圖1)，如:煙氣流場均勻度、AIG噴氨分配和催化劑性能等，對機組安全、經(jīng)濟運行產(chǎn)生了重大影響，同時也給我省節(jié)能減排工作帶來一定的困難。本文通過全省燃煤機組SCR脫硝運行中較為突出的問題:煙氣流場不均、NH3/NOx摩爾比分布不均、氨逃逸超標造成空預器結垢嚴重和脫硝CEMS代表性差等進行逐一分析并提供相應解決措施，對大型燃煤機組的脫硝改造及安全穩(wěn)定運行有一定的指導作用。

1 煙氣流場不均

入口煙道和反應器內(nèi)流場分布是影響SCR脫硝反應器性能的關鍵因素，改善流場的重點是提高催化劑入口截面煙氣速度分布的均勻性。陳蓮芳等［4］以1臺600MW機組為例，對其SCR反應器入口煙道和反應器導流部件進行模擬優(yōu)化設計，在煙道直角轉彎處、SCR催化劑進口適當?shù)脑黾右欢〝?shù)量的導流板、整流板并協(xié)調(diào)布置，可以明顯優(yōu)化流場，高速區(qū)域和低速區(qū)域顯著減小，整個流場速度分布更加均勻。

圖1 安徽省燃煤機組SCR脫硝裝置運行中問題

造成脫硝SCR反應器流場分布不均的主要原因有:設計CFD模擬與實際偏差大;初始設計對不同負荷下煙氣量的適應性差;導流板安裝過少、錯誤或運行中脫落損壞。

目前，通過安徽省燃煤機組脫硝性能試驗發(fā)現(xiàn)，部分機組存在一定程度的SCR脫硝進、出口流場分布不均情況。

例如:在對某電廠5號機組脫硝性能試驗中發(fā)現(xiàn)，在A、B反應器脫硝進、出口中存在不少煙氣流量與平均值偏差大于15%數(shù)據(jù)，煙氣流速相關數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 A、B反應器進出口煙氣流量測試結果(負荷300MW)

SCR脫硝反應器流場不均造成的危害主要有以下幾點:局部流速過大，對催化劑會造成一定的沖刷磨損;局部NOx質(zhì)量流量過大，超過催化劑的反應能力，導致脫硝效率降低;噴氨流量分配調(diào)整困難，嚴重時無法調(diào)整。

該電廠根據(jù)測試結果，在5號機組用大修時期仔細檢查各處導流板是否脫落，并在直角彎道增加導流板，轉化為1/4圓弧型彎道，以消除低速區(qū)。在SCR脫硝催化劑入口處增加導流板數(shù)量，協(xié)調(diào)布局改善速度場分布的均勻性，使得水平各測點流量分布一致，經(jīng)過改造后脫硝效率有了較大幅度提高。

2 NH3 /NOx摩爾比分布不均

NH3/NOx摩爾比是SCR裝置設計和運行中的重點和難點。在實際工程中，很難有設計出與大型火電機組完全相匹配的SCR反應器，因此在低投資成本和高脫硝效率的要求下，良好的NH3/NOx摩爾混合效果對提高脫硝效率顯得尤為重要。

NH3/NOx摩爾比斷面分布是否均勻可以通過出口NOx斷面分布和CEMS代表性情況來判斷，NH3/NOx摩爾比斷面分布不均可能是AIG噴氨不均或煙道流場不均造成的。NH3/NOx摩爾比斷面分布比較小時，NH3和NOx的反應不完全，脫硝效率降低;摩爾比超過一定范圍時，NOx的轉化率不在增加，造成NH3的浪費，泄漏量增大，造成二次污染和空預器、GGH堵塞。

目前，通過安徽省機組脫硝性能試驗發(fā)現(xiàn)，部分燃煤火電機組存在一定程度的NH3/NOx摩爾比分布不均情況(通過反應器出口NOx指代)。

例如:某電廠4號機組脫硝性能試驗中發(fā)現(xiàn)，在A、B反應器進口NOx濃度與平均值偏差小于5%條件下，脫硝出口斷面，尤其是反應器兩側NOx濃度與平均值偏差大于15%(加粗)，比較嚴重，相關數(shù)據(jù)見表2。

造成NH3/NOx摩爾比斷面分布不均的主要原因有:

(1)AIG噴氨均勻但煙氣流場不均;

(2)煙氣流場較均勻但AIG噴氨不均。

通過運行參數(shù)及歷史數(shù)據(jù)綜合分析，得出是AIG噴氨不均是NH3/NOx摩爾比斷面分布的主要原因。該電廠在根據(jù)分析結果進行噴氨優(yōu)化試驗，即調(diào)節(jié)AIG手動調(diào)節(jié)閥門，調(diào)整每路進氨支管手動調(diào)節(jié)閥的開度，動態(tài)的調(diào)整不同區(qū)域的噴氨量，實現(xiàn)脫硝SCR反應器出口NOx濃度均勻分布。

NH3/NOx摩爾比斷面分布不均的危害:氨逃逸超標;還原劑耗量增加;脫硝效率降低;空預器或GGH堵塞。

表2 A、B反應器進出口煙氣NOx濃度測試(負荷650MW)

3 氨逃逸超標

氨與NOx由于不完全反應，會有少量的氨與煙氣一道逃逸出反應器。并與煙氣中的SO3反應，形成(NH4)2SO4和NH4HSO4，具有強烈的腐蝕性，同時造成空預器積灰堵塞［5］。

氨逃逸超標的主要原因有:煙氣流場與噴氨濃度場不匹配，即NH3/NOx摩爾比斷面分布不均;催化劑積灰堵塞、中毒失活降低了有效的催化反應面積;熱工自動邏輯是根據(jù)SCR出口NOx濃度或脫硝效率設計的，未考慮氨逃逸參數(shù)。

氨逃逸超標的危害主要有:造成還原劑氨的浪費，提高電廠運行成本和形成二次污染;生成硫酸氫銨堵塞空預器，造成換熱效果低、本體阻力大，危害空預器、引風機和機組的安全運行;生成的硫酸銨固態(tài)粉末，堵塞催化劑，造成脫硝效率降低。

目前，我省已有多家電廠發(fā)生硫酸氫銨造成空預器堵塞的案例(詳見表3)。

表3 空預器垢樣X射線熒光光譜分析結果%

通過X射線熒光光譜儀垢樣分析發(fā)現(xiàn)，A電廠3號、B電廠2號和C電廠5號空預器垢中SO3(指代NH4HSO4)含量分別為7.84%、2.63%和3.30% (一般粉煤灰中含量不高于1%)。2014年安徽省燃煤電廠煤炭含硫量全年平均為0.5%左右，為低硫煤，燃燒產(chǎn)生的SO3濃度較低，幾家電廠脫硝性能試驗中檢測SO2/SO3平均轉化率為0.8%左右，因此可以判定上述電廠空預器結垢主要原因是氨逃逸生成NH4HSO4造成。

建議采取措施進行SCR脫硝性能優(yōu)化試驗，嚴格控制脫硝裝置氨逃逸率;加強蒸汽吹灰器吹灰頻率或改成高頻率聲波吹灰器吹掃;考慮空預器選擇合理的熱元件的波形和材料。

4 脫硝CEMS數(shù)據(jù)代表性差

目前，安徽省脫硝聯(lián)網(wǎng)機組59臺，取2014年11月28日11∶00～12∶00時脫硝出口、煙囪進口的NOx和氧量一小時均值，分別折算到標態(tài)6%O2條件下，同時將折算后煙囪進口的NOx值減去脫硝出口的NOx值，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到表4。

表4 全省59臺脫硝聯(lián)網(wǎng)機組CEMS數(shù)據(jù)代表性分析

從表4中可以看出:

(1)煙囪進口NOx值減去SCR出口NOx值的絕對值大于15mg/m3的機組為31臺，大于20mg/m3的機組分別為23臺，分別占聯(lián)網(wǎng)機組的53%和39%。表明安徽省脫硝聯(lián)網(wǎng)機組將近一半煙囪進口與SCR出口NOx數(shù)值差距較大，個別電廠兩者差值達到70～80mg/m3，脫硝出口NOx的CEMS數(shù)據(jù)代表性較差。

(2)煙囪進口NOx值大于SCR出口NOx值的機組為33臺，其中差值大于10mg/m3的機組為26臺，大于20mg/m3的機組為14臺，所占聯(lián)網(wǎng)機組比例分別為56%、44%和24%。對于2012年1月1日后通過環(huán)評的新建機組，NOx的排放標準為100mg/m3，20mg/m3的差值很可能造成脫硝出口監(jiān)測排放合格，由此設定的脫硝效率運行脫硝反應器，而造成在煙囪處NOx排放超標。

CEMS數(shù)據(jù)代表性差的原因:在脫硝反應器出口處CEMS所取數(shù)據(jù)有限，而脫硝出口濃度場不均導致CEMS取到的數(shù)據(jù)不具有代表性。煙氣經(jīng)過脫硫塔脫硫后充分噴淋洗滌混合后，煙氣中NOx混合的較為均勻，因此煙囪入口處CEMS中NOx值與脫硝出口處相比呈現(xiàn)升高或降低的現(xiàn)象。

CEMS數(shù)據(jù)代表性差的危害主要有:若CEMS監(jiān)測NOx濃度低于實際排放NOx濃度，這時CEMS顯示脫硝效率會很高，運行人員會減少氨的噴入量，這樣會造成實際的NOx排放濃度進一步升高，還有可能超過排放限值的要求，不利于環(huán)保監(jiān)督考核，也會增加電廠相應的排污費用;若CEMS監(jiān)測NOx濃度高于實際排放NOx濃度，CEMS顯示脫硝效率低，增加氨的噴入量，不僅增加了氨的消耗量，長時間會造成硫酸氫氨對空預器低溫段的腐蝕和堵灰。

5 結語

燃煤機組SCR脫硝裝置運行情況直接關系著電廠氮氧化物排放及相關環(huán)保電價的獲取程度。在對脫硝入口煙氣流場不均、NH3/NOx摩爾比分布不均、空預器結垢嚴重和脫硝CEMS代表性差的原因進行分析并采取相應措施。結果發(fā)現(xiàn)通過脫硝入口煙道導流及整流、噴氨優(yōu)化及嚴格控制氨逃逸率，明顯改善SCR脫硝裝置運行效果和提高脫硝效率，從各個源頭降低故障的發(fā)生，為企業(yè)更好的做好節(jié)能減排工作奠定良好的數(shù)據(jù)支撐基礎。

［1］黃詩堅.NOx的危害及其排放控制［J］.電力環(huán)境保護，2004，20 (1):24－25.

［2］馬姝瑞.安徽完成火電大機組脫硫脫硝改造推進“清潔火電”［EB/OL］.新華網(wǎng)，http://news.xinhuanet.com/tech/2014－08/ 14/c_126867626.htm，2014－08－14.

［3］王文選，肖志均，夏懷祥.火電廠脫硝技術綜述［J］.電力設備，2006(8):1－5.

［4］陳蓮芳，周慎杰，王偉.選擇性催化還原煙氣脫硝反應器流場的模擬優(yōu)化［J］.動力工程學報，2010，30(3):224－229.

［5］Huang Z G，Zhu Z P，Liu Z Y，et al.Formation and reaction of ammonium sulfate salts on V2O5/AC catalyst during selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia at low temperatures［J］.J Cat al，2003(214):213－219.

［6］Kiefer R.Post combustion NOxcontrolmeasures and operating experience［J］.Power Gen Europe，2001(11):107－110.

Operation and analysis of SCR denitrification system in Anhui coal－fired units

Operation problems of coal－fired units SCR denitrification were analyzed，discussed the flue gas flow field uneven，NH3/NOxmole ratio of the uneven distribution，air pre－h(huán)eater fouling serious and denitration CEMS poor representation of causes and correspondingmeasures.It was found through the inlet flue denitration diversion and rectification，ammonia injection optimization and strict control of ammonia eacape rate，significantly improved operating results SCR denitrification system and improve the efficiency of denitrification，research results significantly promote the action of energy saving and emission reduction in power industry.

nitrogen oxides;SCR denitrification;ammonia injection optimization;ammonia escape;CEMS

X701.7

B

1674－8069(2016)02－022－04

2015-10-21;

2015-12-07

馬大衛(wèi)(1982-)，男，安徽廬江人，工程師，博士，主要從事燃煤電廠環(huán)保設施性能優(yōu)化工作。E－mail:dwma@mail.ustc.edu.cn