超低排放形势下SCR脱硝系统运行存在问题与对策

摘要：针对超低排放形势下选择性催化还原(SCR)脱硝系统运行过程中出现的NOx排放超限、空气预热器硫酸氢铵堵塞加重等问题,分析其主要与超低排放对SCR反应器中NH3/NOx分布的均匀性要求提高,SO2/SO3转化率升高,喷氨优化控制要求提高,最低喷氨温度升高及催化剂寿命管理更加复杂等有关.


对此,提出了通过喷氨优化调整和流场优化改造改善NH3/NOx分布均匀性,减少催化剂的用量及钒含量控制SO2/SO3转化率,降低脱硝系统入口喷氨量、SO3质量浓度或设备改造来拓宽低负荷脱硝运行范围,通过喷氨控制系统优化降低NOx排放超标及过量喷氨的风险,采取有效的催化剂寿命管理延长催化剂使用寿命、降低废催化剂产生量等解决方案.对实现燃煤电厂SCR脱硝系统的安全、高效及经济运行具有指导意义.

关键词：超低排放;脱硝;SCR;燃煤机组;NOx排放;硫酸氢铵;空气预热器堵塞;喷氨控制;SO2转化率

面对国内日益严峻的环保形势,国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局于2014年9月12日联合发布了“煤电节能减排升级改造行动计划(2014—2020年)”.该计划要求,“十三五”期间,火电厂大气污染物控制将全面实施超低排放,燃煤电厂排放的大气污染物质量浓度接近“燃气轮机组排放限值”,即烟尘、二氧化硫、氮氧化物的排放质量浓度分别达到10、35、50mg/m3限值[1].

当前,燃煤电厂实现NOx超低排放主要采用选择性催化还原(SCR)脱硝系统自身提效,或低氮燃烧(LNB)、非选择性催化还原(SNCR)与SCR技术的组合.实现NOx超低排放需要提高SCR脱硝效率,这通常伴随着NOx排放控制质量浓度降低、脱硝系统喷氨量和催化剂用量增加及SO2氧化率提高等.

因此,了解和掌握NOx超低排放下SCR脱硝系统运行的特点,采取有效措施减少其运行中出现的新问题,是实现SCR脱硝系统超低排放运行的关键[2].

1NOx超低排放存在新问题

燃煤电厂在现有SCR脱硝系统运行的基础上,通过提高脱硝效率(通常由目前的60%~80%提高到85%~95%)实现NOx超低排放的同时,可能会出现以下新问题:

1)SCR反应器在高效率下运行时,不仅需要增加催化剂用量,同时对脱硝系统入口NH3/NOx混合均匀性的要求明显提高;

2)增加催化剂用量,会造成催化剂的整体SO2氧化率提高,脱硝系统出口SO3质量浓度增大,加剧空气预热器硫酸氢铵堵塞的风险;

3)将NOx排放质量浓度控制到50mg/m3以内后,日常运行中脱硝系统出口NOx质量浓度波动范围可能在20~50mg/m3,需要避免NOx排放超标和防止过量喷氨;

4)SCR脱硝效率提高,通常会伴随着喷氨量的增加,由此会进一步提高脱硝系统的最低喷氨温度;

5)提高脱硝效率大多采用增加备用层催化剂的方案,从而改变了现有催化剂的设计寿命管理方案,需重新制定催化剂的寿命管理策略.

2问题分析及对策

2.1 NH3/NOx混合均匀性

SCR脱硝系统在较高的脱硝效率下运行时,氨氮摩尔比变化对脱硝效率和氨逃逸量的影响如图1所示[3].由图1可见,随着氨氮摩尔比增大,脱硝效率升高,氨逃逸量也逐渐增大,尤其当脱硝效率超过90%时,氨逃逸量增大的趋势明显加快,空气预热器形成硫酸氢铵堵塞的风险加大.


图1氨氮摩尔比变化对脱硝效率和氨逃逸量的影响

脱硝系统运行效果不仅取决于催化剂的性能,还与脱硝反应器内的流场优劣和NH3与烟气中NOx的混合均匀性关系密切.氨氮摩尔比分布偏差对脱硝性能的影响如图2所示[4].


图2氨氮摩尔比分布偏差对脱硝性能的影响

由图2可见,在催化剂体积量一定,脱硝效率为90%时,当脱硝系统入口氨氮摩尔比分布偏差为5%时,对应氨逃逸量在1μL/L以内;而当氨氮摩尔比分布偏差增大到12%时,对应氨逃逸量迅速增至5μL/L以上.

图3为某电厂1000MW机组现场喷氨优化试验结果[5].由图3可见,在SCR反应器喷氨格栅调节阀开度固定的情况下,逐渐增加喷氨量,脱硝效率由82%升至97%,此时A侧反应器出口截面NOx质量浓度分布相对偏差由15%增至35%,B侧反应器出口截面的NOx质量浓度分布相对偏差由16%增至31%.

这是由于SCR反应器出口NOx质量浓度过低,其截面NOx质量浓度平均值迅速减小所致.


图3某1000MW机组SCR反应器出口NOx质量浓度分布相对偏差与脱硝效率的关

由上述分析可见,脱硝效率越高,系统对NH3与烟气中NOx混合均匀性的要求就越高,控制氨逃逸量的难度增大,空气预热器形成硫酸氢铵堵塞的风险也相应加大.

因此,建议定期进行脱硝系统喷氨优化调整试验,将脱硝喷氨量调整至最佳值,避免SCR反应器出口截面局部氨逃逸量过高,从而提高脱硝系统运行的经济性[6].对于不具备双向分区喷氨量调节功能的脱硝系统,应对其进行优化改造,以实现喷氨量的精细化调整[7].

2.2SO2氧化率

为实现NOx超低排放,通常需要增加催化剂体积量.脱硝系统催化剂多采用“两用一备”或“三用一备”模式布置.某电厂原SCR脱硝系统设计入口NOx质量浓度为400mg/m3,脱硝效率为80%.为实现NOx超低排放,在原基础上增加了第3层备用催化剂.

实验室中试检测结果表明,脱硝效率提高到90%以上后,SCR脱硝系统出口NOx质量浓度由之前的44.6mg/m3降至34.2mg/m3,氨逃逸量由之前的4.4μL/L降至0.9μL/L.图4为增加第3层备用催化剂后各层催化剂出口NOx质量浓度和氨逃逸量的变化趋势.由图4可见,第1层催化剂在脱除NOx方面贡献较大,而第3层催化剂的主要作用在于脱除上游未参与反应的NH3[8].


图4增加第3层备用催化剂后各层催化剂出口NOx质量浓度和氨逃逸量的变化

脱硝系统增加催化剂体积量,在实现NOx超低排放的同时也增加了脱硝反应器出口的SO3质量浓度.某电厂SCR脱硝系统配置3层催化剂,其各催化剂层SO2氧化率变化情况如图5所示.由图5可见,沿烟气流向,SO2向SO3的转换率呈加速趋势,这与脱硝系统增加备用层后催化剂面速度迅速减小有关[9].因此,通过增加催化剂用量实现NOx超低排放的同时,会导致脱硝系统出口的SO3质量浓度迅速提高,加大了空气预热器形成硫酸氢铵堵塞的风险.


图5SO2氧化率沿烟气流程的变化

在保证NOx达标排放的同时,要控制空气预热器硫酸氢铵的生成,需要降低脱硝反应器出口烟气中SO3的质量浓度.对此可采取以下措施降低SO2氧化率:1)尽量减少催化剂的使用量;2)控制催化剂中的钒含量;3)通过改烧、掺烧措施降低燃煤中硫的含量.

2.3喷氨控制

脱硝系统在较高脱硝效率下运行,当锅炉运行工况变化较大时,SCR脱硝系统入口NOx质量浓度会出现一定程度的波动,为防止NOx排放质量浓度瞬时超过50mg/m3,通常会将SCR脱硝系统出口NOx质量浓度设定为较低值.

某电厂运行中SCR脱硝系统出口NOx质量浓度设定值为35mg/m3,设计脱硝效率为92%.若按照SCR脱硝系统入口NOx质量出口NOx质量浓度为50mg/m3时,对应脱硝效率为90%,若出口NOx质量浓度低至20mg/m3时,则对应脱硝效率高达96%,即该电厂实际运行中脱硝效率变化范围为90%~96%.

因此,在NOx超低排放形势下,脱硝系统的运行效率接近SCR技术的临界值,过量喷氨风险较大.为保证NOx排放合格,同时避免过量喷氨,脱硝系统喷氨的优化控制至关重要.以某电厂脱硝控制系统为例,原设计脱硝喷氨采用开环控制,根据SCR反应器入口NOx质量浓度及总风量来调节喷氨量,不以SCR反应器出口NOx质量浓度为控制目标,因此无法实现脱硝系统自动控制.

该脱硝系统投运以来,一直采用手动方式调节喷氨量,易造成NOx排放质量浓度超标及过量喷氨等问题.为此,采用PID串级闭环控制系统对原脱硝过程控制系统进行优化.以SCR反应器入口NOx质量浓度及烟气流量为前馈,以SCR反应器出口NOx质量浓度为反馈,计算出理论喷氨流量,通过PID控制氨流量调节阀开度,从而实现脱硝喷氨量与机组负荷、入口NOx质量浓度的自动协调[10].图6为优化前后脱硝喷氨控制系统.


图6优化前后脱硝喷氨控制系统

部分电厂脱硝喷氨控制系统采用串级闭环控制逻辑,但自动调节喷氨量的效果仍然不佳,这与部分参数设置不合理有关,需要对控制逻辑中各项参数进行整定.参数整定具体包括:通过实际测试及理论计算对在线仪表测量值进行修正;对输出环节计算过程进行核对,并合理确定限幅;通过计算并结合试验的方法,对串级闭环控制PID参数进行优化整定.

2.4最低喷氨温度

由于燃煤锅炉烟气中存在SO3,催化剂在低温下运行时会在其毛细微孔内产生硫酸氢铵,造成催化剂微孔堵塞,使得还原剂NH3和烟气中的NOx难以到达催化剂活性位上,从而表现为催化剂活性降低及硫酸氢铵中毒现象.硫酸氢铵在催化剂微孔内的形成示意如图7所示[1].


图7硫酸氢铵在催化剂微孔内的形成示意

低温下烟气中的SO3、NH3及H2O形成硫酸氢铵的过程为：SO3+NH3+H2O→NH4HSO4(1)

最低喷氨温度T与入口喷氨量φ(NH3)体积分数和SO3及H2O含量φ(SO3)、φ(H2O)之间成函数关系,即T=F(φ(SO3)、φ(NH3)、φ(H2O)).硫酸氢铵的生成量与烟气中的SO3、NH3及H2O含量成正比.SO3含量对最低喷氨温度的影响最大,NH3次之,H2O最小[11G12].某典型催化剂的最低喷氨温度曲线如图8所示[13].

在烟气中SO3和H2O含量一定的情况下,当脱硝系统出口NOx质量浓度由100mg/m3降至50mg/m3以下时,喷氨量的增加会导致φ(NH3)×φ(SO3)的增加,从而使最低喷氨温度的升高.因此,脱硝系统运行时,需根据实际烟气参数及喷氨量的增加情况重新调整SCR脱硝系统运行的最低喷氨温度,并在脱硝系统控制逻辑中修改相应的保护值.


图8典型催化剂最低喷氨温度曲线

针对机组低负荷运行时脱硝系统入口烟温低于最低喷氨温度的情况,根据温差的大小,通常可采取调整锅炉运行方式或设备改造方式以满足低负荷下喷氨要求[14].

锅炉运行方式调整主要有:1)改烧或掺烧低硫煤,降低烟气中SO3质量浓度,从而降低催化剂的最低喷氨温度;2)通过锅炉燃烧优化调整试验,降低脱硝系统入口NOx质量浓度,即通过减少喷氨量来降低最低喷氨温度;3)通过改变锅炉运行模式,适当提高脱硝设备系统入口烟温,从而满足最低喷氨温度需要.

设备改造方式主要有:

1)增加省煤器烟气调温旁路,通过引入高温烟气来提高脱硝系统入口烟温;

2)通过省煤器受热面分级,提高催化剂入口烟温;

3)通过省煤器给水旁路或给水加热等方式,减少烟气吸热量,提高催化剂入口烟温;

4)对于非低氮燃烧锅炉,可通过深度低氮改造降低脱硝系统入口NOx质量浓度,从而减少喷氨量,降低最低喷氨温度.

2.5催化剂寿命管理

催化剂寿命管理的目的在于经济有效地使用催化剂,根据不同阶段催化剂的实际运行性能,适当地增加、更换或再生催化剂,从而在确保NOx达标排放和设备安全运行的前提下,将脱硝系统的运行成本降至最低.

脱硝系统催化剂的设计化学寿命通常为24000h,当催化剂的脱硝性能下降至不能满足设计要求时,首先添加备用层催化剂,然后根据催化剂的实际性能下降情况更换或再生催化剂,以达到充分发挥旧催化剂的残余活性,延长催化剂的整体使用寿命的目的[15G16].

对于已经进行NOx超低排放改造的机组,由于NOx排放控制目标和脱硝效率发生变化,原催化剂的设计更换管理周期将发生改变,备用层催化剂的提前加装将使得催化剂的更换频率增加.为有效进行催化剂的寿命管理,需要对旧催化剂和新装层(或再生)催化剂的性能进行定期检测,研究不同层催化剂失活规律和原因,从而制定合适的催化剂更换管理方案.

3结论及建议

1)为实现NOx的超低排放,提高SCR脱硝效率,不仅需要增加催化剂体积量,还需提高脱硝系统入口NH3/NOx混合均匀性,因此需重视脱硝系统喷氨优化调整,必要时进行氨喷射系统的优化改造.

2)为避免空气预热器发生硫酸氢铵堵塞的风险,应尽量减少催化剂的用量,严格控制催化剂中的钒含量和燃煤硫含量,同时进一步加强脱硝系统氨逃逸的控制.

3)实现NOx超低排放后,为防止NOx排放超标和过量喷氨,需提高脱硝喷氨控制系统的精度,定期进行各层催化剂性能检测,研究不同层催化剂失活规律,从而制定合理的催化剂寿命管理策略.

4)SCR脱硝系统喷氨量的增加会在一定程度上提高脱硝系统的最低喷氨温度,需根据实际烟气参数和喷氨量的变化对催化剂原设计最低喷氨温度做相应调整.

参考文献略

《势力发电》作者：王乐乐，孔凡海,何金亮,方朝君,杨恂,雷嗣远,姚燕,杨晓宁