燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行存在關(guān)鍵技術(shù)問題研究與技術(shù)展望

陳 磊，李德波，周杰聯(lián)，馮永新，陳 拓

（廣東電科院能源技術(shù)有限責任公司，廣州 510060）

0 引言

2014年國家發(fā)改委和國家環(huán)保部聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，要求燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值，即在基準氧量6%條件下，煙塵、SO2、NOX排放質(zhì)量濃度（以下簡稱“濃度”）分別不高于10 mg/m3（標準狀態(tài)，下同）、35 mg/m3、50 mg/m3。 江鵬威[1]等進行了燃煤電廠脫硝噴氨調(diào)節(jié)閥堵塞原因分析及對策技術(shù)研究，通過對液氨品質(zhì)、環(huán)境溫度、設(shè)備構(gòu)造、材質(zhì)、堵塞物成分等因素的分析，找到了堵塞的原因。董長青[2]等進行了火電廠SCR（選擇性催化還原）脫硝催化劑壽命預(yù)估研究，針對火電廠SCR脫硝催化劑在運行過程中的失活機理，建立了催化劑的失活動力學模型以及壽命計算方法。鄭方棟[3]等進行了全負荷脫硝氨逃逸率與SO3轉(zhuǎn)化率變化的現(xiàn)場試驗研究工作。廖永進[4]等進行了SCR脫硝系統(tǒng)催化劑性能預(yù)測方法及實踐方面的研究工作。SCR脫硝系統(tǒng)催化劑運行時間延長后，受到飛灰堵塞、沖蝕和化學中毒等影響，活性逐步降低，需要進行催化劑性能預(yù)測以指導(dǎo)催化劑的增加或者更換?；谠囼炇覝y試條件，催化劑活性測試結(jié)果并不能完全反映脫硝反應(yīng)器的實際情況，應(yīng)利用脫硝系統(tǒng)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對試驗室數(shù)據(jù)加以修正。李德波[5-9]等進行了超低排放下NOX動態(tài)超標問題的熱工控制優(yōu)化技術(shù)研究。毛奕升[10]等進行了火電廠SCR脫硝系統(tǒng)噴氨優(yōu)化調(diào)整及煙氣取樣方法改進的研究，提高了SCR系統(tǒng)出口NOX測點代表性。國內(nèi)其他研究者也在SCR系統(tǒng)優(yōu)化運行方面開展了很多工作[11-20]。

本文進行了大量現(xiàn)場調(diào)研（調(diào)研了40臺SCR脫硝系統(tǒng)，包括300 MW、600 MW、1 040 MW燃煤電廠），發(fā)現(xiàn)目前我國燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)運行中存在諸多技術(shù)問題，主要包括：SCR脫硝系統(tǒng)出口NOX濃度均勻性較差；氨逃逸量高導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞，從而導(dǎo)致機組被迫停機；SCR脫硝系統(tǒng)熱工測點代表性不足，帶來運行監(jiān)控方面的問題。本文通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實踐，指出了我國SCR脫硝系統(tǒng)需要注意的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出解決措施，旨在為SCR脫硝系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供指導(dǎo)。

1 SCR脫硝系統(tǒng)出口NO X濃度均勻性較差的問題及解決方法

某發(fā)電廠2臺700 MW亞臨界燃煤發(fā)電機組，配套鍋爐由日本三菱重工設(shè)計制造，采用四角切圓方式燃燒煙煤。為滿足煙氣脫硝環(huán)保要求，采用高灰型SCR煙氣脫硝工藝，分SCR反應(yīng)器區(qū)和液氨儲存及供應(yīng)區(qū)域。催化劑層數(shù)按“2+1”模式布置，初裝2層，預(yù)留1層，在設(shè)計工況、處理100%煙氣量、布置2層催化劑條件下，每套脫硝裝置脫硝效率均不低于80%，脫硝還原劑采用液氨。表1為機組300 MW負荷摸底工況下進出口NOX濃度及脫硝效率現(xiàn)場試驗結(jié)果。從表1可以看出，反應(yīng)器A側(cè)、B側(cè)出口NOX濃度相對標準偏差達到了56.5%、66.5%，出口NOX濃度分布嚴重不均勻。

現(xiàn)場調(diào)整方法：每側(cè)反應(yīng)器入口有10個噴氨調(diào)門，開大對應(yīng)出口NOX濃度偏高區(qū)域的噴氨調(diào)門，關(guān)小對應(yīng)入口NOX濃度偏低區(qū)域的噴氨調(diào)門，并通過調(diào)整試驗最終確認調(diào)整幅度。A側(cè)調(diào)整前后調(diào)門開度及B側(cè)調(diào)整前后的調(diào)門開度如表2和表3所示。

表1 300 MW負荷摸底工況下進出口NO X濃度及脫硝率

表2 300 MW負荷工況下A側(cè)調(diào)整前后的調(diào)門開度（由固定端至擴建端）

表3 300 MW負荷工況下B側(cè)調(diào)整前后的調(diào)門開度（由固定端至擴建端）

由表4數(shù)據(jù)可以得出如下結(jié)論：

（1）經(jīng)過調(diào)整后，A側(cè)出口NOX濃度分布的均勻性有了較好的改善，相對標準偏差由調(diào)整前的56.5%降至調(diào)整后的14.2%。第一次調(diào)整后實測脫硝率為82.9%。

（2）B側(cè)在噴氨格柵調(diào)整后，出口NOX濃度均勻性未能得到改善。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，B側(cè)1、2、3號噴氨支管存在堵塞，即使將調(diào)門全開，對應(yīng)出口區(qū)域的NOX濃度仍然較高，建議在檢修時疏通管道。第一次調(diào)整后B側(cè)的實測脫硝率為51.6%。

（3）調(diào)整后對反應(yīng)器A側(cè)、B側(cè)出口進行了氨逃逸取樣，分析結(jié)果顯示出口的氨逃逸均小于3μL/L的要求值。

表4 第一次調(diào)整后300 MW負荷工況下脫硝系統(tǒng)進出口NO X濃度及脫硝率

在SCR脫硝系統(tǒng)實際運行過程中，要定期進行噴氨格柵調(diào)整試驗工作，保證反應(yīng)器出口NOX濃度均勻性控制在20%以內(nèi)，同時要加強噴氨格柵現(xiàn)場維護工作，防止支管堵塞。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)一些燃煤電廠由于低氮技術(shù)改造效果不理想，導(dǎo)致反應(yīng)器入口NOX濃度偏高，最高達到400 mg/m3，SCR脫硝系統(tǒng)減排壓力很大，需要保證較高的脫硝效率，現(xiàn)場運行人員將脫硝效率控制在90%以上。大量現(xiàn)場運行經(jīng)驗表明，脫硝效率越高，氨逃逸一般越高，增加了空氣預(yù)熱器堵塞的風險，建議燃煤電廠開展低氮技術(shù)改造工作，降低脫硝反應(yīng)器入口NOX濃度。

2 空氣預(yù)熱器嚴重堵塞的問題及解決方法

某300 MW機組空氣預(yù)熱器嚴重堵塞，在停機檢修期間，采集了1號、2號機組B側(cè)空氣預(yù)熱器冷端和中溫端的飛灰，委托專業(yè)單位采用離子色譜分析儀進行化學組成分析，結(jié)果見表5、表6。

從表5可以看出，飛灰中含有一定濃度的NH4+和SO42-，根據(jù)國外大量運行經(jīng)驗，飛灰中NH4+質(zhì)量分數(shù)控制在50 mg/kg以下時，說明氨逃逸量控制在安全范圍，目前1B-GAH冷端NH4+濃度為 68.9 mg/kg，1B-GAH出口NH4+濃度為31.6 mg/kg，說明1號機組空氣預(yù)熱器存在一定程度的硫酸氫銨沉積現(xiàn)象，同時從測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1B-GAH冷端pH值為5.35，為弱酸性環(huán)境。與2號機組相比，1號機組飛灰中NH4+和SO42-質(zhì)量分數(shù)低很多，總體上看1號機組硫酸氫銨沉積現(xiàn)象比較弱，而2號機組硫酸氫銨沉積現(xiàn)象比較明顯。NH4+和SO42-主要由是SCR脫硝系統(tǒng)逃逸的氨與SO3反應(yīng)生成。煙氣脫硝是指利用氨氣作為還原劑與煙氣中的NOX反應(yīng)以脫除NOX，脫硝過程中的氨與煙氣中SO3反應(yīng)生成AS（硫酸銨）和ABS（硫酸氫銨），其產(chǎn)生過程可能存在的化學反應(yīng)方程式如下：

表5 飛灰的化學組成成分（質(zhì)量分數(shù)，1號機組）

表6 飛灰的化學組成成分（質(zhì)量分數(shù)，2號機組）

AS是一種干燥粉末狀物質(zhì)，無腐蝕性，易通過吹灰清除。ABS具有黏性，容易吸附煙氣中的飛灰，從而造成催化劑的阻塞和SCR下游設(shè)備的腐蝕，ABS的熔點溫度為147℃，以液體形式在物體表面聚集或者以液滴形式分散于煙氣中，在煙氣中會粘附飛灰。

NH4+和SO42-的摩爾質(zhì)量分別為18 g/mol、96 g/mol，與表5對應(yīng)的以摩爾數(shù)計算得到的化學組成成分見表7。表8為2號機組在2017年7月化驗的結(jié)果。

通過表7的數(shù)據(jù)得到1B-GAH冷端中NH4+和SO42-的摩爾比為7.26，1B-GAH出口中NH4+和SO42-的摩爾比為1.3，根據(jù)NH4HSO4（硫酸氫銨）中NH4+和SO42-的摩爾比為1∶1，可以得知飛灰的化驗成分中不僅存在硫酸氫銨還有硫酸鹽，通常為硫酸鈣（沉積在蓄熱片上的硫酸與飛灰中的含鈣物質(zhì)反應(yīng)生成硫酸鈣），因此空氣預(yù)熱器堵塞是由硫酸氫銨和硫酸鈣共同造成的。

表7 飛灰的化學組成成分（摩爾分數(shù)，1號機組）

表8 飛灰的化學組成成分（摩爾分數(shù)，2號機組）

目前我國燃煤機組安裝的SCR脫硝系統(tǒng)，運行過程中普遍發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器存在硫酸氫銨沉積現(xiàn)象。為了減少空氣預(yù)熱器堵塞，發(fā)電廠要定期進行脫硝系統(tǒng)噴氨格柵調(diào)整試驗，降低反應(yīng)器出口氨逃逸的濃度；定期對脫硝系統(tǒng)進行性能評估，通過現(xiàn)場測試及催化劑試驗室檢測等手段，判斷催化劑的失活程度，及時制訂催化劑的加裝、更換和再生方案，確保催化劑能夠滿足脫除污染物的要求。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)某些發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)熱工自動控制投入率低，投入效果不好，導(dǎo)致在增減負荷的過程中，反應(yīng)器出口NOX濃度超標或者NOX濃度過低，增大了空氣預(yù)熱器堵塞風險，建議電廠要完善SCR脫硝系統(tǒng)熱工控制邏輯，保證脫硝系統(tǒng)熱工控制靈敏性，防止出現(xiàn)變負荷過程中脫硝系統(tǒng)NOX濃度極低（5 mg/m3以下）的情況。

3 脫硝系統(tǒng)流場分布不均勻的問題及解決方法

煙道結(jié)構(gòu)以及煙道內(nèi)導(dǎo)流板安裝布置形式是影響SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣混合濃度和速度分布均勻性的重要因素。研究反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)備對煙氣流場的影響規(guī)律，對進一步提高反應(yīng)器內(nèi)煙氣混合、流動的均勻性，提高脫硝效率和保障氨逃逸率，降低系統(tǒng)NOX排放具有重要意義。通過數(shù)值模擬研究可以對影響SCR反應(yīng)器內(nèi)流動均勻性的結(jié)構(gòu)因素進行全面分析，對脫硝系統(tǒng)的布置安裝具有良好的指導(dǎo)意義。

某發(fā)電廠300 MW機組現(xiàn)有SCR脫硝系統(tǒng)催化劑現(xiàn)場磨損照片如圖1所示，可以看出催化劑磨損比較嚴重，出現(xiàn)大面積催化劑脫落的問題。

圖1 催化劑磨損和塌陷圖

為了分析導(dǎo)致催化劑嚴重磨損和塌陷的原因，利用計算流體動力學方法，開展了SCR脫硝系統(tǒng)不同導(dǎo)流板布置方式下數(shù)值模擬。目前SCR脫硝系統(tǒng)右上角布置有7塊弧-直型導(dǎo)流板，左上角布置有7塊弧型導(dǎo)流板。數(shù)值模擬總共有以下5個工況：

工況1：煙氣成分按照最新提供的數(shù)據(jù)，重新輸入進行計算。

工況2：在工況1基礎(chǔ)上，反應(yīng)器右上角（最內(nèi)側(cè)）增加1塊弧-直型導(dǎo)流板。

工況3：在工況1基礎(chǔ)上，反應(yīng)器右上角各導(dǎo)流板之間增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊，即右上角共有15塊弧-直型導(dǎo)流板。

工況4：在工況1基礎(chǔ)上，反應(yīng)器左上角增加直型導(dǎo)流板，即在原來7塊弧型導(dǎo)流板基礎(chǔ)上增加直型導(dǎo)流板，右上角導(dǎo)流板不變。

工況5：在工況1基礎(chǔ)上，反應(yīng)器左上角增加直型導(dǎo)流板，反應(yīng)器右上角各導(dǎo)流板之間增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊，即右上角共15塊弧-直型導(dǎo)流板。

圖2、圖3、圖4為數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分結(jié)果。數(shù)值模擬計算區(qū)域選取從省煤器出口至反應(yīng)器出口，整個數(shù)值模擬網(wǎng)格規(guī)模為106個網(wǎng)格點。

圖2 導(dǎo)流板布置

圖3 SCR脫硝系統(tǒng)物理建模

圖4 SCR脫硝系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

圖5 為工況1時第一層催化劑上速度分布規(guī)律。第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數(shù)為22%，大于工程允許的速度標準偏差系數(shù)（15%），即在現(xiàn)有導(dǎo)流板布置情況下，第一層催化劑入口截面上速度顯著不均勻。

圖6為工況2時第一層催化劑上速度分布規(guī)律。第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數(shù)為17%，大于工程上允許的速度標準偏差系數(shù)（15%），因此還需要進一步調(diào)整。

圖5 第一層催化劑上速度分布（工況1）

圖6 第一層催化劑上速度分布（工況2）

圖7 為工況3時第一層催化劑上速度分布規(guī)律。第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數(shù)為13%，速度不均勻系數(shù)相對工況1有較大程度的降低，表明采用工況3的導(dǎo)流板布置方案，能夠提高第一層催化劑入口速度均勻性。

圖7 第一層催化劑上速度分布（工況3）

圖8 為工況4時第一層催化劑上速度分布規(guī)律。第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數(shù)為16%，速度不均勻系數(shù)相對工況1有一定程度的降低，但仍然大于15%，需要進一步調(diào)整。

圖8 第一層催化劑上速度分布（工況4）

圖9 為工況5時第一層催化劑上速度分布規(guī)律。第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數(shù)為10%，速度不均勻系數(shù)相對工況1有較大程度的降低，完全滿足工程要求。

圖9 第一層催化劑上速度分布（工況5）

通過數(shù)值模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）最佳的導(dǎo)流板布置方案為：反應(yīng)器左上角增加直型導(dǎo)流板，反應(yīng)器右上角各導(dǎo)流板之間增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊弧-直型導(dǎo)流板，得到速度不均勻系數(shù)為10%，完全滿足工程要求。

（2）較好的導(dǎo)流板布置方案為：反應(yīng)器右上角導(dǎo)流板之間增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊弧-直型導(dǎo)流板，得到速度不均勻系數(shù)為13%，完全滿足工程要求。

（3）現(xiàn)有的導(dǎo)流板布置方案，第一層催化劑入口截面上速度分布標準偏差系數(shù)為22%，大于工程上允許的速度標準偏差系數(shù)（15%），即在現(xiàn)有導(dǎo)流板布置情況下，第一次催化劑入口截面上速度顯著不均勻。

通過數(shù)值模擬結(jié)果，導(dǎo)流板優(yōu)化方案建議如下：

（1）在反應(yīng)器右上角導(dǎo)流板之間再增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊弧-直型導(dǎo)流板，能夠滿足工程要求，建議采用這個改造方案。

（2）反應(yīng)器左上角增加直形導(dǎo)流板，反應(yīng)器右上角導(dǎo)流板之間增加1塊弧-直型導(dǎo)流板，共增加8塊弧-直型導(dǎo)流板，得到速度不均勻系數(shù)為10%，為最佳的導(dǎo)流板布置方案，但是改造工作量較大。

4 建議

（1）脫硝系統(tǒng)要定期進行噴氨格柵調(diào)整試驗，降低反應(yīng)器出口氨逃逸的濃度，保證反應(yīng)器出口NOX濃度均勻性在20%以下。

（2）NOX排放控制要將低氮燃燒技術(shù)與SCR脫硝技術(shù)綜合考慮，鍋爐側(cè)要加強精細燃燒調(diào)整，降低爐膛出口NOX濃度，降低SCR脫硝系統(tǒng)脫除壓力，避免SCR脫硝系統(tǒng)脫硝效率過高，造成氨逃逸量增大，增加空氣預(yù)熱器堵塞的風險。

（3）為了提高SCR脫硝系統(tǒng)進出口流場分布均勻性，建議開展SCR脫硝系統(tǒng)導(dǎo)流板優(yōu)化的數(shù)值模擬工作，包括不同導(dǎo)流板布置形式下流場均勻性數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場改造措施，從根本上解決反應(yīng)器出口流場不均勻的問題。

（4）提高SCR脫硝系統(tǒng)熱工控制水平，尤其要重視噴氨自動控制水平，避免在變負荷過程中反應(yīng)器出口NOX濃度極低，噴入過量的氨到反應(yīng)器中，造成大量氨沉積在空氣預(yù)熱器換熱元件，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞。

（5）在滿足環(huán)保要求的前提下，現(xiàn)場運行中脫硝出口NOX濃度宜控制在35～40 mg/m3，不應(yīng)過低，滿足環(huán)保要求即可。

5 結(jié)語

本文通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗，詳細分析了我國SCR脫硝系統(tǒng)運行過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)難題以及解決對策，對SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)進行了展望，為同類型機組SCR脫硝系統(tǒng)運行提供參考，具有重要的學術(shù)價值和工程應(yīng)用價值。