馬大衛(wèi)，查智明，黃齊順，許勇毅

(安徽省電力科學(xué)研究院，安徽合肥230061)

安徽省燃煤機(jī)組SCR脫硝裝置運(yùn)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(xué)研究院，安徽合肥230061)

對(duì)燃煤機(jī)組SCR脫硝裝置運(yùn)行中問(wèn)題進(jìn)行了分析研究，探討了煙氣流場(chǎng)不均、NH3/NOx摩爾比分布不均、空預(yù)器結(jié)垢嚴(yán)重和脫硝CEMS代表性差的原因及相應(yīng)措施。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)脫硝入口煙道導(dǎo)流及整流、噴氨優(yōu)化及嚴(yán)格控制氨逃逸率，明顯改善SCR脫硝裝置運(yùn)行效果和提高脫硝效率，研究結(jié)果對(duì)節(jié)能減排工作有促進(jìn)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(xué)煙霧和酸雨的主要原因［1］。隨著我國(guó)火電建設(shè)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(guān)于加快推進(jìn)全省“十二五”燃煤機(jī)組脫硝減排工程建設(shè)的指導(dǎo)意見》精神，加快推進(jìn)全省“十二五”燃煤機(jī)組脫硝減排工程建設(shè)，確保實(shí)現(xiàn)全省NOx排放總量控制目標(biāo)，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(tái)300MW以上機(jī)組的脫硝改造均告順利結(jié)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(jìn)展。2013年上半年，在全省全年火電發(fā)電量增長(zhǎng)3%的同時(shí)，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(huì)NOx排放量的比重從46%降至32%，2014年統(tǒng)調(diào)燃煤火電機(jī)組NOx平均排放濃度為60.17mg/m3［2］。

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

1 煙氣流場(chǎng)不均

入口煙道和反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布是影響SCR脫硝反應(yīng)器性能的關(guān)鍵因素，改善流場(chǎng)的重點(diǎn)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(tái)600MW機(jī)組為例，對(duì)其SCR反應(yīng)器入口煙道和反應(yīng)器導(dǎo)流部件進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)，在煙道直角轉(zhuǎn)彎處、SCR催化劑進(jìn)口適當(dāng)?shù)脑黾右欢〝?shù)量的導(dǎo)流板、整流板并協(xié)調(diào)布置，可以明顯優(yōu)化流場(chǎng)，高速區(qū)域和低速區(qū)域顯著減小，整個(gè)流場(chǎng)速度分布更加均勻。

圖1 安徽省燃煤機(jī)組SCR脫硝裝置運(yùn)行中問(wèn)題

造成脫硝SCR反應(yīng)器流場(chǎng)分布不均的主要原因有:設(shè)計(jì)CFD模擬與實(shí)際偏差大;初始設(shè)計(jì)對(duì)不同負(fù)荷下煙氣量的適應(yīng)性差;導(dǎo)流板安裝過(guò)少、錯(cuò)誤或運(yùn)行中脫落損壞。

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

例如:在對(duì)某電廠5號(hào)機(jī)組脫硝性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在A、B反應(yīng)器脫硝進(jìn)、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(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 A、B反應(yīng)器進(jìn)出口煙氣流量測(cè)試結(jié)果(負(fù)荷300MW)

SCR脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)不均造成的危害主要有以下幾點(diǎn):局部流速過(guò)大，對(duì)催化劑會(huì)造成一定的沖刷磨損;局部NOx質(zhì)量流量過(guò)大，超過(guò)催化劑的反應(yīng)能力，導(dǎo)致脫硝效率降低;噴氨流量分配調(diào)整困難，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法調(diào)整。

該電廠根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在5號(hào)機(jī)組用大修時(shí)期仔細(xì)檢查各處導(dǎo)流板是否脫落，并在直角彎道增加導(dǎo)流板，轉(zhuǎn)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(dǎo)流板數(shù)量，協(xié)調(diào)布局改善速度場(chǎng)分布的均勻性，使得水平各測(cè)點(diǎn)流量分布一致，經(jīng)過(guò)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(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在實(shí)際工程中，很難有設(shè)計(jì)出與大型火電機(jī)組完全相匹配的SCR反應(yīng)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(duì)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(guò)出口NOx斷面分布和CEMS代表性情況來(lái)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(chǎng)不均造成的。NH3/NOx摩爾比斷面分布比較小時(shí)，NH3和NOx的反應(yīng)不完全，脫硝效率降低;摩爾比超過(guò)一定范圍時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化率不在增加，造成NH3的浪費(fèi)，泄漏量增大，造成二次污染和空預(yù)器、GGH堵塞。

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

例如:某電廠4號(hào)機(jī)組脫硝性能試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在A、B反應(yīng)器進(jìn)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(yīng)器兩側(cè)NOx濃度與平均值偏差大于15%(加粗)，比較嚴(yán)重，相關(guān)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(chǎng)不均;

(2)煙氣流場(chǎng)較均勻但AIG噴氨不均。

通過(guò)運(yùn)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(jié)果進(jìn)行噴氨優(yōu)化試驗(yàn)，即調(diào)節(jié)AIG手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，調(diào)整每路進(jìn)氨支管手動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，動(dòng)態(tài)的調(diào)整不同區(qū)域的噴氨量，實(shí)現(xiàn)脫硝SCR反應(yīng)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(biāo);還原劑耗量增加;脫硝效率降低;空預(yù)器或GGH堵塞。

表2 A、B反應(yīng)器進(jìn)出口煙氣NOx濃度測(cè)試(負(fù)荷650MW)

3 氨逃逸超標(biāo)

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

氨逃逸超標(biāo)的主要原因有:煙氣流場(chǎng)與噴氨濃度場(chǎng)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(yīng)面積;熱工自動(dòng)邏輯是根據(jù)SCR出口NOx濃度或脫硝效率設(shè)計(jì)的，未考慮氨逃逸參數(shù)。

氨逃逸超標(biāo)的危害主要有:造成還原劑氨的浪費(fèi)，提高電廠運(yùn)行成本和形成二次污染;生成硫酸氫銨堵塞空預(yù)器，造成換熱效果低、本體阻力大，危害空預(yù)器、引風(fēng)機(jī)和機(jī)組的安全運(yùn)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(yù)器堵塞的案例(詳見表3)。

表3 空預(yù)器垢樣X射線熒光光譜分析結(jié)果%

通過(guò)X射線熒光光譜儀垢樣分析發(fā)現(xiàn)，A電廠3號(hào)、B電廠2號(hào)和C電廠5號(hào)空預(yù)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(yàn)中檢測(cè)SO2/SO3平均轉(zhuǎn)化率為0.8%左右，因此可以判定上述電廠空預(yù)器結(jié)垢主要原因是氨逃逸生成NH4HSO4造成。

建議采取措施進(jìn)行SCR脫硝性能優(yōu)化試驗(yàn)，嚴(yán)格控制脫硝裝置氨逃逸率;加強(qiáng)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(yù)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(jī)組59臺(tái)，取2014年11月28日11∶00～12∶00時(shí)脫硝出口、煙囪進(jìn)口的NOx和氧量一小時(shí)均值，分別折算到標(biāo)態(tài)6%O2條件下，同時(shí)將折算后煙囪進(jìn)口的NOx值減去脫硝出口的NOx值，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到表4。

表4 全省59臺(tái)脫硝聯(lián)網(wǎng)機(jī)組CEMS數(shù)據(jù)代表性分析

從表4中可以看出:

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

(2)煙囪進(jìn)口NOx值大于SCR出口NOx值的機(jī)組為33臺(tái)，其中差值大于10mg/m3的機(jī)組為26臺(tái)，大于20mg/m3的機(jī)組為14臺(tái)，所占聯(lián)網(wǎng)機(jī)組比例分別為56%、44%和24%。對(duì)于2012年1月1日后通過(guò)環(huán)評(píng)的新建機(jī)組，NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)為100mg/m3，20mg/m3的差值很可能造成脫硝出口監(jiān)測(cè)排放合格，由此設(shè)定的脫硝效率運(yùn)行脫硝反應(yīng)器，而造成在煙囪處NOx排放超標(biāo)。

CEMS數(shù)據(jù)代表性差的原因:在脫硝反應(yīng)器出口處CEMS所取數(shù)據(jù)有限，而脫硝出口濃度場(chǎng)不均導(dǎo)致CEMS取到的數(shù)據(jù)不具有代表性。煙氣經(jīng)過(guò)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(cè)NOx濃度低于實(shí)際排放NOx濃度，這時(shí)CEMS顯示脫硝效率會(huì)很高，運(yùn)行人員會(huì)減少氨的噴入量，這樣會(huì)造成實(shí)際的NOx排放濃度進(jìn)一步升高，還有可能超過(guò)排放限值的要求，不利于環(huán)保監(jiān)督考核，也會(huì)增加電廠相應(yīng)的排污費(fèi)用;若CEMS監(jiān)測(cè)NOx濃度高于實(shí)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(zhǎng)時(shí)間會(huì)造成硫酸氫氨對(duì)空預(yù)器低溫段的腐蝕和堵灰。

5 結(jié)語(yǔ)

燃煤機(jī)組SCR脫硝裝置運(yùn)行情況直接關(guān)系著電廠氮氧化物排放及相關(guān)環(huán)保電價(jià)的獲取程度。在對(duì)脫硝入口煙氣流場(chǎng)不均、NH3/NOx摩爾比分布不均、空預(yù)器結(jié)垢嚴(yán)重和脫硝CEMS代表性差的原因進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)脫硝入口煙道導(dǎo)流及整流、噴氨優(yōu)化及嚴(yán)格控制氨逃逸率，明顯改善SCR脫硝裝置運(yùn)行效果和提高脫硝效率，從各個(gè)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(chǔ)。

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

［2］馬姝瑞.安徽完成火電大機(jī)組脫硫脫硝改造推進(jìn)“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(shù)綜述［J］.電力設(shè)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(yīng)器流場(chǎng)的模擬優(yōu)化［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，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(shè)施性能優(yōu)化工作。E－mail:dwma@mail.ustc.edu.cn