超低排放形勢下 SCR脫硝系統運行存在問題與對策
摘 要：在選擇性催化還原 (SCR)超低排放實施過程中出現的脫硝系統運行的氮氧化物排放超標的空氣預熱器硫酸氫銨堵塞加重等問題 ,分析其主要在 SCR反應器中超低排放對 NH3/NOx排放分布均勻的 SO2、 SO3轉化率的提升 ,優化氨控制要求、最低噴氨溫度、催化劑壽命管理等。為此，分析了 SCR脫硫系統在極低排放條件下運行所涉及的問題和對策。
前 言
“十二五”期間，選擇性脫硝作為電廠脫硝的主要技術得到了快速發展。在“十三五”期，燃煤電廠脫硝系統將進一步完善，NO2質量濃度將低于50mg/m3(“標準狀態”)。為滿足超低排放要求，保證機組穩定運行，急需解決SCR脫硝系統存在問題。
1 NOx超低排放存在新問題
在現有的SCR脫硝系統中，燃煤電廠通過提高脫硝效率(通常為60-80%提高到85-95%)可以產生超低的NOx排放。新出現的問題包括：
(1)SCR反應器的有效運行不僅需要增加催化劑的用量，還需要大大提高脫硝系統入口NH3/NOx混合物的均勻性。
(2)催化劑用量的增加提高了SO2催化劑的總氧化速率，提高了脫硝系統輸出SO3的質量濃度，增加了空氣預熱器內硫酸銨堵塞的風險;
(3)當NOx排放的質量限值為50 mg/m3時。脫硝系統出口的NOx濃度每天的波動范圍為20mg/m3~50mg/m3。應避免過量排放NOx和過量噴氨。
(4)提高SCR脫硝效率通常伴隨著噴氨量的增加，從而進一步提高脫硝系統中最低噴氨溫度。
(5)為了提高脫硝效率，對現有催化劑壽命管理方案進行了修改，主要是通過設計催化劑的方案，對催化劑壽命管理策略進行了調整。
2 問題分析及對策
(1)NH3/NOx混合均勻性。圖1顯示了氨氮摩爾比變化對脫硝效率和氨排放的影響。如圖1所示，隨著氨氮摩爾比和效率的增加，氨排放量逐漸增加，SCR脫硝反應氨逃逸量的增加趨勢大大加快，特別是當脫硝效率超過90%時，也增加了硫酸氫銨堵塞的風險。
反應效果還取決于反應器內燃燒氣體的流量。表2顯示了氨摩爾比偏差對脫硝性能的影響。
由圖2可知，在催化體積一定時，當脫硝系統進口氨氮摩爾比分布偏差為5%時，氨逸出量在1μL/L范圍內。當氨氮摩爾比分布偏差增大到12%時，氨逸出量迅速增加，超過5μL/L。
以上分析表明，去除效率越高，燃燒氣體中NH3和NOx混合物的均勻性越高。氨排放量控制越困難，空氣預熱器內硫酸氫銨堵塞的可能性越大。建議定期進行噴氨優化試驗，將噴氨量調整到最佳值。避免SCR反應器出口截面氨逃逸量過多，提高輸出系統脫硝的運行節余。由于脫硝系統不具備雙向注氨控制功能，應優化噴氨量。
(2)為了獲得很低的NOx排放量，通常需要增加脫硝系統的噴氨量。脫硝催化劑大多采用“兩用一備”或“三用一備”的模式。我發電廠的脫硝系統入口NOx濃度為400 mg/m3，脫硝效率為80%。為了實現超低的NOx排放，添加了第三層備用催化劑。試驗結果表明，當脫硝率提高到90%以上時，SNR出口NOx濃度由44.6 mg/m3降至34.2 mg/m3，排放氨氣由4.4μL/L降至0.9μL/L。第一層催化劑有助于NOx的去除，而第三層催化劑主要用于去除NH3，NH3不參與NOx的去除。上游脫硝系統催化劑體積增大的同時，脫硝反應器輸出SO3的質量濃度增加。因此，隨著催化劑用量的增加，NOx排放量很小，而脫除系統中SO3的質量濃度迅速增加。這增加了預熱器中硫酸氫銨堵塞的風險。空氣預熱器中硫酸氫銨的生產控制為了降低脫硝反應器出口煙氣中SO3的質量濃度，保證排放質量。降低SO2氧化速率可以包括：(a)減少催化劑的使用;(b)控制催化劑中釩的含量;(c)通過改變燃燒和摻雜來降低煤中的硫含量。
(3)噴氨控制。脫硝系統具有較高的脫硝效率。當鍋爐運行工況發生較大變化時，SCR脫硝系統輸入的NOx濃度變化不大。當NOx質量濃度為50mg/m3時。NOx排放的質量濃度通常固定在較低值。在電廠運行中，SCR脫硝系統的NOx濃度設定為35mg/m3，脫硝效率為92%。當入口NOx質量濃度計算500mg/m3時，當出口NOx質量濃度為50mg/m3時，相應的脫硝效率為90%;因此，電廠實際運行中的脫硝效率在90%-96%之間。脫硝系統的運行效率接近SCR技術的臨界值，在NOx排放達標的情況下，過量噴氨的風險較大。
(4)最低噴氨溫度。當催化劑在低溫下運行時，催化劑孔內會產生硫酸銨，導致催化劑微孔堵塞。氣體中的NH3和NOx還原劑很難達到催化劑的活性位置，催化活性降低了催化微孔中形成硫酸銨的有害現象，SO3、NH3和H2O是低溫燃燒氣體，它的形成過程是：
SO3+NH3+H2O→NH4HSO4(1)
硫酸氫銨的產量與煙氣中SO3、NH3和H2O的含量成正比。SO3含量對最低氨溫的影響最大，其次是NH3和H2O。由于脫硝系統的NOx出口濃度由100mg/m3降低到50mg/m3，因此脫硝系統運行,要避免機組長時間在低負荷運行。
隨著脫硝超低排放改造后，我公司最突出的問題就是空預器堵塞，嚴重時會導致機組限負荷，無法保障機組長周期安全運行，針對這些問題，公司從管理措施、設備優化調整上下功夫，有效解決里氨逃逸超標、空預器堵塞的問題，主要如下：
(1)合理調整鍋爐配風，達到鍋爐效率與控制脫硝反應器入口NOx濃度最優化，控制入口NOx濃度在設計范圍內。
(2)嚴格控制脫硝反應器出口氨逃逸在規定范圍。
(3)為減少噴氨量，在保證出口NOx達標排放的前提下，盡量控制NOx濃度在30-45 mg/m3之間。
(4)嚴格控制入爐煤硫分，減少空預器硫酸氫氨的生成。
(5)在不同條件下，為緩解空預器蓄熱元件堵灰，優先采用提高排煙溫度方法，其次選用離線高壓水沖洗方法，降低空預器差壓， 確保空預器長周期運行。
(6)冬季，盡量避免機組長時間低負荷運行，保證脫硝反應區入口煙溫滿足最低噴氨溫度的要求。
(7)對噴氨“自動”邏輯進行優化，自動跟蹤及時，既滿足環保要求，又不過量噴氨。
總之，脫硝是火力發電機組煙氣技術的發展方向，也是國家環保政策的要求，如何做好脫硝系統的運行維護，有效提高脫硝設備的可靠性，保證機組的安全、環保運行是一項長期而艱巨的任務，也是一個需要在設計、改造和運行上加以探索和積累的階段，有待進一步完善和改進。
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