某電廠600MW機組SCR脫硝過程氨逃逸原因分析
摘要：選擇性催化還原(ivecatalyticreduction，SCR)煙氣脫硝過程中造成空氣預熱器腐蝕、堵塞的根本原因是氨逃逸。分析了流場分布、噴氨自動調節和煙氣分析儀表等對氨逃逸的影響，提出減少氨逃逸的措施，建議對噴氨格柵噴嘴進行改進。
0引言
某燃煤電廠3、4號機組裝機容量均為600MW，運行后在1年內3號機組空氣預熱器的阻力比4號機組高約1kPa，原因是3號機組安裝了選擇性催化還原脫硝裝置，脫硝過程會產生具有粘性的硫酸氫銨，粘結飛灰附著于空氣預熱器造成腐蝕和堵塞，增大其阻力。
1硫酸氫銨生成機理及主要影響因素
SCR煙氣脫硝法具有結構簡單、脫硝效率高、運行可靠、便于維護等優點，是火電機組控制氮氧化物排放最可靠的手段。3號機組安裝SCR脫硝裝置，采用液氨作為原料。SCR脫硝裝置適宜的煙氣溫度為290～420℃，安裝在省煤器和空氣預熱器之間的2個煙道內，為高溫、高塵布置方式。煙氣系統流程布置如圖1所示，采用聲波吹灰方式，未設置煙氣旁路和省煤器高溫旁路系統。催化劑目前安裝2層，上部預留1層，脫硝效率設計為不小于80%。
圖1SCR脫硝裝置煙氣系統布置
氨氣由液氨氣化，經空氣稀釋后通過噴氨格柵噴入煙道內，與煙氣混合后一起通過催化劑層，在催化劑的作用下發生反應將以一氧化氮為主的氮氧化物(NOx)還原，主要反應如下:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O；
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O；
6NO2+8NH3→7N2+12H2O；
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O。
由于各種原因，必然有部分氨氣未能參與反應，隨煙氣排放，形成氨逃逸。
脫硝過程同時也會發生一些不利的副反應，催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過程中，也會對SO2的氧化起一定的催化作用。SO2的氧化率隨活性組分V2O5含量、煙氣溫度的增加而上升，要求控制在1%以下，其反應如下:
V2O5+SO2→V2O4+SO3；
2SO2+O2+V2O4→2VOSO4；
2VOSO4→V2O5+SO2+SO3。
另外，鍋爐燃燒也會產生一部分SO3。逃逸氨和鍋爐燃燒產生的SO3以及在SCR脫硝裝置區域轉化生成的SO3發生反應，生成硫酸氫銨和硫酸銨，反應如下：
NH3+SO3+H2O→NH4HSO4；
2NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4。
硫酸氫銨和硫酸銨的形成互相起一定的促進作用，其中硫酸銨為干燥固體粉末，對空氣預熱器影響很小。硫酸氫銨是一種粘性很強的物質，很容易在空氣預熱器冷端沉積，并促使大量飛灰附著于空氣預熱器，從而影響其傳熱性能，增大其阻力。這就是3號機組空氣預熱器堵塞的原因。圖2為3號機組空氣預熱器冷端堵塞、腐蝕情況。
圖23號機組空預器冷端堵塞、腐蝕情況
硫酸氫銨的形成取決于反應物的濃度和它們的比例。3號機組燃煤為煙煤，其含硫全年平均為0.5%左右，為低硫分煤，相對其他機組3號機組鍋爐燃燒產生的SO3濃度是較低的，現場檢測SO2/SO3轉化率為0.79%，優于1%的設計值。因此，可以判定硫酸氫銨的形成量主要是受氨逃逸的影響，解決空氣預熱器堵塞和腐蝕的關鍵是減少氨逃逸。
2氨逃逸的影響因素
2.1流場分布
流場分布是脫硝煙氣系統設計最核心的部分。以往有人認為脫硝過程流場分布涉及到煙氣速度分布和氮氧化物濃度分布2個部分。表1為3號機組噴氨格柵前A側煙道截面上網格布點測試得出的各點氮氧化物濃度值。‘
表1A側各點氮氧化物濃度
從表1可以看出，氮氧化物濃度分布基本是均勻的，因此流場分布只要保證煙氣流速均勻即可，而不必考慮各點氮氧化物濃度不同的問題。同時，SCR脫硝裝置入口NO分析儀采集到的NOx值具有代表性。但不同的出口點由于氨逃逸量不同，NO分析儀所測量到的值不一定有代表性。
流場設計通過流體模型試驗或計算機仿真模型模擬數值計算來驗證并修正煙氣系統的設計，將煙氣的均勻性偏差控制在合理范圍內。3號機組在圖1所示的B截面前的拐角處和C截面煙氣改變方向處設置了導流板。設置前一組導流板的目的是使煙氣均勻地通過噴氨格柵。由于噴氨格柵各個噴嘴在煙道截面上呈網格分布，因此可調節氨氣使其在各個噴嘴的流量基本相同，實現煙氣和氨氣的均勻混合。另外，在噴氨格柵噴嘴上方設置了一定數量的擾流管，以加快氨氣與煙氣的混合均勻。設置后一組導流板的目的是使煙氣均勻地通過催化劑，加之截面A的上方有較大的空間，實現煙氣均勻通過催化劑層。
前述流場設計中一些導流板的設置沒有作用，甚至起到了負面作用。流場設計要解決2個問題，一是使煙氣均勻地通過催化劑層，二是使氨氣盡快地與煙氣均勻混合，其中解決第2個問題更為重要。煙氣通過催化劑的速度一般為4～6m/s，而每層催化劑的高度僅1m，這樣每層催化劑的反應時間僅0.2s左右。因此，如果在催化劑層部分區域存在氨氣濃度過高，超過了脫硝需要，就會造成氨逃逸。
解決第一個問題，C截面處的導流裝置對此不會有任何幫助，此處或更前位置的氣流均布與最終煙氣均勻地通過催化劑層無關。煙氣均勻地通過催化劑取決于A截面上方有足夠的空間，以及在A截面如何均流。實現第二個目的，應加強C截面前的湍流，一般認為雷諾數高的湍流擴散效果更好，因此，可以認定C截面前的導流板不利于氨氣與煙氣的均勻混合。
氨氣通過各個噴嘴均勻地噴入煙道內，但在機組運行一段時間后的檢修中發現有部分噴嘴堵塞，導致氨氣噴入不均勻，且在不停機的情況下無法解決。噴嘴堵塞后，原有的噴氨格柵處氨氣和煙氣都均勻分布，因此實現氨氣與煙氣混合均勻的方法就沒有了意義。
流場設計的思路應簡化如下：
在C截面之前加強湍流，不進行煙氣導流；A截面上方盡量保留足夠大的空間，在這個區域實現煙氣均勻通過催化劑層。這樣可以簡化布置，實現氨氣和煙氣盡快均勻混合，也可以簡化煙氣通過催化劑層的布置。
2.2噴氨自動調節和煙氣分析儀表
在脫硝過程中氨的噴入是自動調節的，氨氣的噴入量按照(設定的NH3/NOx摩爾比)滿足機組當前運行負荷條件下脫除NOx的需要量而設定。
控制系統通過SCR脫硝裝置進口NO分析儀測量值、煙氣流量以及出口NO設定值計算需要脫除的NO總物質的量，根據NO-NO2的典型比例關系(1.05)折算到NOx物質的量。
注入的氨質量流量根據需要脫除的NOx物質的量確定，脫除多少物質的量的NOx就需要消耗多少物質的量的氨。控制系統通過反饋信號將計算的氨流量給定值傳給氣氨流量調節閥。氣氨流量調節閥根據反饋信號來調節閥門的開度以控制氣氨流量符合設定值。氨氣流量由流量計測得，并根據壓力和溫度進行修正。自動調節非常重要，調節效果差意味著在某些時候噴入的氨氣大于需要值，形成氨逃逸。
3號機組NO分析儀為完全抽取式，根據DL/T960-2005《燃煤電廠煙氣排放連續監測系統訂貨技術條件》的要求，分析儀的響應時間應在180s以內。3號機組SCR脫硝裝置進口、出口NO分析儀均可以在1.5min左右測量到真值，響應時間較快，但對于SCR脫硝過程仍有不足。3號機組鍋爐在啟停磨煤機、快速升降負荷時，NO濃度在1.5min內變化值可達30%以上，由于計算氨氣噴入量所用的NO值為此1.5min以前的值，導致實際需要量與計算指令給出的值沒有對應關系，如果前者大于后者，氨逃逸短時間內將大量增加。因此，有必要采用直接測量法采集NO濃度值，同時提高煙氣量、氨氣流量等其他儀表的精度。
在上述問題解決前，建議在進行啟停磨煤機、快速升降負荷等會導致煙氣量和NOx濃度大幅變化的操作時，氨氣的噴入量迅速下降至較低值，以避免由于氨氣噴入量大于實際需要量導致氨逃逸量突然增加。
另外，為防止過濾單元堵塞，NO分析儀設置了定時反吹，從反吹開始到重新采集到真值，需要4min左右的時間。一般邏輯上NO值采用反吹開始前的值，一旦機組煙氣量和NO濃度發生變化，很容易造成氨逃逸值增加。在NO分析儀進行反吹維護時，也有必要減少氨氣的噴入量。
氨逃逸的檢測一般采用光學測量方法，但由于儀器安裝在煙道上振動大，煙氣條件惡劣，導致測量偏差大，可信度低。目前市場上沒有較為可靠的用于現場測量氨逃逸的儀表，因此，不能僅依靠氨逃逸測量儀表來判斷，還應根據催化劑的殘余活性，設定最低出口NO濃度值。當出口NO濃度值低于設定值時，意味著氨逃逸處于一個較高的水平。現場實測表明SCR脫硝裝置出口截面上各點NOx濃度存在較大偏差。氨逃逸一般不會在整個SCR脫硝裝置出口截面上產生，出口截面上各點NO的濃度差異也是較大的，因此氨逃逸測量表和出口NO分析儀的安裝位置非常重要，所測值必須具有代表性。
2.3其他因素
SCR脫硝裝置最低運行溫度必須高于催化劑的最低溫度限值，當運行溫度低于該值時，催化劑活性下降，噴入的氨無法被脫硝過程所利用，形成氨逃逸。
3號機組催化劑廠家提供的最低溫度限值為295℃，但由于環保需要，3號機組在煙氣溫度達到285℃時即開始噴氨，進行煙氣脫硝，必然造成氨逃逸的增加。而且，3號機組SCR脫硝裝置已運行滿3年，其催化劑活性有一定的下降，最低溫度限值應根據催化劑殘余活性、環保要求等因素重新整定。此外，也可考慮采用配煤等方式適當提高實際煙氣溫度。
催化劑活性下降也會導致氨逃逸的增加，通過檢測，催化劑活性殘值仍達到80%以上，活性下降屬正常水平。積灰會導致該區域催化劑失去作用，檢修期間檢查催化劑積灰情況，沒有發現明顯的積灰區域。
2.4噴嘴
噴嘴堵塞將加劇氨逃逸的產生。現有噴氨格柵噴嘴方向(氨氣噴入方向)與煙氣流向相同，這樣設計的優點是可避免高塵煙氣直接沖擊噴嘴而使高濃度煙塵堵塞噴嘴。
但噴嘴順煙氣方向也有一定的弱點，其一是氨氣在混合階段的停留時間短，與煙氣的混合效果會明顯弱于逆煙氣方向噴入；其二是同方向布置也不能完全避免噴嘴堵塞，現場檢查發現緊挨煙道壁的噴嘴基本全部堵塞，中間的噴嘴也有少量堵塞。在機組長時間運行的條件下，煙道壁、噴氨格柵上方煙道內鋼支架以及擾流管逐步積灰形成一定厚度后成片掉落，從而堵塞正下方的噴嘴。
因此建議對噴嘴進行改進，可在每個噴嘴上方安裝一把“小傘”，通過“小傘”的作用，將氨氣同方向噴入改為逆方向噴入，延長氨氣在混合階段的停留時間，加強與煙氣的混合，同時也避免了落灰堵塞噴嘴。
3結語
3號機組在低SO3濃度水平下，空氣預熱器被硫酸氫銨嚴重腐蝕并造成堵塞，其根本原因是氨逃逸。因此如何降低氨逃逸量，是所有安裝SCR脫硝裝置機組面臨的問題，應該予以高度重視。
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