超低排放形势下 SCR脱硝系统运行存在问题与对策
2023-01-11 11:27:00
超低排放形势下 SCR脱硝系统运行存在问题与对策
摘 要：在选择性催化还原 (SCR)超低排放实施过程中出现的脱硝系统运行的氮氧化物排放超标的空气预热器硫酸氢铵堵塞加重等问题 ,分析其主要在 SCR反应器中超低排放对 NH3/NOx排放分布均匀的 SO2、 SO3转化率的提升 ,优化氨控制要求、最低喷氨温度、催化剂寿命管理等。为此，分析了 SCR脱硫系统在极低排放条件下运行所涉及的问题和对策。
前 言
“十二五”期间，选择性脱硝作为电厂脱硝的主要技术得到了快速发展。在“十三五”期，燃煤电厂脱硝系统将进一步完善，NO2质量浓度将低于50mg/m3(“标准状态”)。为满足超低排放要求，保证机组稳定运行，急需解决SCR脱硝系统存在问题。
1 NOx超低排放存在新问题
在现有的SCR脱硝系统中，燃煤电厂通过提高脱硝效率(通常为60-80%提高到85-95%)可以产生超低的NOx排放。新出现的问题包括：
(1)SCR反应器的有效运行不仅需要增加催化剂的用量，还需要大大提高脱硝系统入口NH3/NOx混合物的均匀性。
(2)催化剂用量的增加提高了SO2催化剂的总氧化速率，提高了脱硝系统输出SO3的质量浓度，增加了空气预热器内硫酸铵堵塞的风险;
(3)当NOx排放的质量限值为50 mg/m3时。脱硝系统出口的NOx浓度每天的波动范围为20mg/m3~50mg/m3。应避免过量排放NOx和过量喷氨。
(4)提高SCR脱硝效率通常伴随着喷氨量的增加，从而进一步提高脱硝系统中最低喷氨温度。
(5)为了提高脱硝效率，对现有催化剂寿命管理方案进行了修改，主要是通过设计催化剂的方案，对催化剂寿命管理策略进行了调整。
2 问题分析及对策
(1)NH3/NOx混合均匀性。图1显示了氨氮摩尔比变化对脱硝效率和氨排放的影响。如图1所示，随着氨氮摩尔比和效率的增加，氨排放量逐渐增加，SCR脱硝反应氨逃逸量的增加趋势大大加快，特别是当脱硝效率超过90%时，也增加了硫酸氢铵堵塞的风险。
反应效果还取决于反应器内燃烧气体的流量。表2显示了氨摩尔比偏差对脱硝性能的影响。
由图2可知，在催化体积一定时，当脱硝系统进口氨氮摩尔比分布偏差为5%时，氨逸出量在1μL/L范围内。当氨氮摩尔比分布偏差增大到12%时，氨逸出量迅速增加，超过5μL/L。
以上分析表明，去除效率越高，燃烧气体中NH3和NOx混合物的均匀性越高。氨排放量控制越困难，空气预热器内硫酸氢铵堵塞的可能性越大。建议定期进行喷氨优化试验，将喷氨量调整到最佳值。避免SCR反应器出口截面氨逃逸量过多，提高输出系统脱硝的运行节余。由于脱硝系统不具备双向注氨控制功能，应优化喷氨量。
(2)为了获得很低的NOx排放量，通常需要增加脱硝系统的喷氨量。脱硝催化剂大多采用“两用一备”或“三用一备”的模式。我发电厂的脱硝系统入口NOx浓度为400 mg/m3，脱硝效率为80%。为了实现超低的NOx排放，添加了第三层备用催化剂。试验结果表明，当脱硝率提高到90%以上时，SNR出口NOx浓度由44.6 mg/m3降至34.2 mg/m3，排放氨气由4.4μL/L降至0.9μL/L。第一层催化剂有助于NOx的去除，而第三层催化剂主要用于去除NH3，NH3不参与NOx的去除。上游脱硝系统催化剂体积增大的同时，脱硝反应器输出SO3的质量浓度增加。因此，随着催化剂用量的增加，NOx排放量很小，而脱除系统中SO3的质量浓度迅速增加。这增加了预热器中硫酸氢铵堵塞的风险。空气预热器中硫酸氢铵的生产控制为了降低脱硝反应器出口烟气中SO3的质量浓度，保证排放质量。降低SO2氧化速率可以包括：
(a)减少催化剂的使用;
(b)控制催化剂中钒的含量;
(c)通过改变燃烧和掺杂来降低煤中的硫含量。
(3)喷氨控制。脱硝系统具有较高的脱硝效率。当燃烧器定制运行工况发生较大变化时，SCR脱硝系统输入的NOx浓度变化不大。当NOx质量浓度为50mg/m3时。NOx排放的质量浓度通常固定在较低值。在电厂运行中，SCR脱硝系统的NOx浓度设定为35mg/m3，脱硝效率为92%。当入口NOx质量浓度计算500mg/m3时，当出口NOx质量浓度为50mg/m3时，相应的脱硝效率为90%;因此，电厂实际运行中的脱硝效率在90%-96%之间。脱硝系统的运行效率接近SCR技术的临界值，在NOx排放达标的情况下，过量喷氨的风险较大。
(4)最低喷氨温度。当催化剂在低温下运行时，催化剂孔内会产生硫酸铵，导致催化剂微孔堵塞。气体中的NH3和NOx还原剂很难达到催化剂的活性位置，催化活性降低了催化微孔中形成硫酸铵的有害现象，SO3、NH3和H2O是低温燃烧气体，它的形成过程是：
SO3 NH3 H2O→NH4HSO4(1)
硫酸氢铵的产量与烟气中SO3、NH3和H2O的含量成正比。SO3含量对最低氨温的影响最大，其次是NH3和H2O。由于脱硝系统的NOx出口浓度由100mg/m3降低到50mg/m3，因此脱硝系统运行,要避免机组长时间在低负荷运行。
随着脱硝超低排放改造后，我公司最突出的问题就是空预器堵塞，严重时会导致机组限负荷，无法保障机组长周期安全运行，针对这些问题，公司从管理措施、设备优化调整上下功夫，有效解决里氨逃逸超标、空预器堵塞的问题，主要如下：
(1)合理调整燃烧器定制配风，达到燃烧器定制效率与控制脱硝反应器入口NOx浓度最优化，控制入口NOx浓度在设计范围内。
(2)严格控制脱硝反应器出口氨逃逸在规定范围。
(3)为减少喷氨量，在保证出口NOx达标排放的前提下，尽量控制NOx浓度在30-45 mg/m3之间。
(4)严格控制入炉煤硫分，减少空预器硫酸氢氨的生成。
(5)在不同条件下，为缓解空预器蓄热元件堵灰，优先采用提高排烟温度方法，其次选用离线高压水冲洗方法，降低空预器差压， 确保空预器长周期运行。
(6)冬季，尽量避免机组长时间低负荷运行，保证脱硝反应区入口烟温满足最低喷氨温度的要求。
(7)对喷氨“自动”逻辑进行优化，自动跟踪及时，既满足环保要求，又不过量喷氨。
总之，脱硝是火力发电机组烟气技术的发展方向，也是国家环保政策的要求，如何做好脱硝系统的运行维护，有效提高脱硝设备的可靠性，保证机组的安全、环保运行是一项长期而艰巨的任务，也是一个需要在设计、改造和运行上加以探索和积累的阶段，有待进一步完善和改进。
内容来源：当代电力文化
摘 要：在选择性催化还原 (SCR)超低排放实施过程中出现的脱硝系统运行的氮氧化物排放超标的空气预热器硫酸氢铵堵塞加重等问题 ,分析其主要在 SCR反应器中超低排放对 NH3/NOx排放分布均匀的 SO2、 SO3转化率的提升 ,优化氨控制要求、最低喷氨温度、催化剂寿命管理等。为此，分析了 SCR脱硫系统在极低排放条件下运行所涉及的问题和对策。
前 言
“十二五”期间，选择性脱硝作为电厂脱硝的主要技术得到了快速发展。在“十三五”期，燃煤电厂脱硝系统将进一步完善，NO2质量浓度将低于50mg/m3(“标准状态”)。为满足超低排放要求，保证机组稳定运行，急需解决SCR脱硝系统存在问题。
1 NOx超低排放存在新问题
在现有的SCR脱硝系统中，燃煤电厂通过提高脱硝效率(通常为60-80%提高到85-95%)可以产生超低的NOx排放。新出现的问题包括：
(1)SCR反应器的有效运行不仅需要增加催化剂的用量，还需要大大提高脱硝系统入口NH3/NOx混合物的均匀性。
(2)催化剂用量的增加提高了SO2催化剂的总氧化速率，提高了脱硝系统输出SO3的质量浓度，增加了空气预热器内硫酸铵堵塞的风险;
(3)当NOx排放的质量限值为50 mg/m3时。脱硝系统出口的NOx浓度每天的波动范围为20mg/m3~50mg/m3。应避免过量排放NOx和过量喷氨。
(4)提高SCR脱硝效率通常伴随着喷氨量的增加，从而进一步提高脱硝系统中最低喷氨温度。
(5)为了提高脱硝效率，对现有催化剂寿命管理方案进行了修改，主要是通过设计催化剂的方案，对催化剂寿命管理策略进行了调整。
2 问题分析及对策
(1)NH3/NOx混合均匀性。图1显示了氨氮摩尔比变化对脱硝效率和氨排放的影响。如图1所示，随着氨氮摩尔比和效率的增加，氨排放量逐渐增加，SCR脱硝反应氨逃逸量的增加趋势大大加快，特别是当脱硝效率超过90%时，也增加了硫酸氢铵堵塞的风险。
反应效果还取决于反应器内燃烧气体的流量。表2显示了氨摩尔比偏差对脱硝性能的影响。
由图2可知，在催化体积一定时，当脱硝系统进口氨氮摩尔比分布偏差为5%时，氨逸出量在1μL/L范围内。当氨氮摩尔比分布偏差增大到12%时，氨逸出量迅速增加，超过5μL/L。
以上分析表明，去除效率越高，燃烧气体中NH3和NOx混合物的均匀性越高。氨排放量控制越困难，空气预热器内硫酸氢铵堵塞的可能性越大。建议定期进行喷氨优化试验，将喷氨量调整到最佳值。避免SCR反应器出口截面氨逃逸量过多，提高输出系统脱硝的运行节余。由于脱硝系统不具备双向注氨控制功能，应优化喷氨量。
(2)为了获得很低的NOx排放量，通常需要增加脱硝系统的喷氨量。脱硝催化剂大多采用“两用一备”或“三用一备”的模式。我发电厂的脱硝系统入口NOx浓度为400 mg/m3，脱硝效率为80%。为了实现超低的NOx排放，添加了第三层备用催化剂。试验结果表明，当脱硝率提高到90%以上时，SNR出口NOx浓度由44.6 mg/m3降至34.2 mg/m3，排放氨气由4.4μL/L降至0.9μL/L。第一层催化剂有助于NOx的去除，而第三层催化剂主要用于去除NH3，NH3不参与NOx的去除。上游脱硝系统催化剂体积增大的同时，脱硝反应器输出SO3的质量浓度增加。因此，随着催化剂用量的增加，NOx排放量很小，而脱除系统中SO3的质量浓度迅速增加。这增加了预热器中硫酸氢铵堵塞的风险。空气预热器中硫酸氢铵的生产控制为了降低脱硝反应器出口烟气中SO3的质量浓度，保证排放质量。降低SO2氧化速率可以包括：
(a)减少催化剂的使用;
(b)控制催化剂中钒的含量;
(c)通过改变燃烧和掺杂来降低煤中的硫含量。
(3)喷氨控制。脱硝系统具有较高的脱硝效率。当燃烧器定制运行工况发生较大变化时，SCR脱硝系统输入的NOx浓度变化不大。当NOx质量浓度为50mg/m3时。NOx排放的质量浓度通常固定在较低值。在电厂运行中，SCR脱硝系统的NOx浓度设定为35mg/m3，脱硝效率为92%。当入口NOx质量浓度计算500mg/m3时，当出口NOx质量浓度为50mg/m3时，相应的脱硝效率为90%;因此，电厂实际运行中的脱硝效率在90%-96%之间。脱硝系统的运行效率接近SCR技术的临界值，在NOx排放达标的情况下，过量喷氨的风险较大。
(4)最低喷氨温度。当催化剂在低温下运行时，催化剂孔内会产生硫酸铵，导致催化剂微孔堵塞。气体中的NH3和NOx还原剂很难达到催化剂的活性位置，催化活性降低了催化微孔中形成硫酸铵的有害现象，SO3、NH3和H2O是低温燃烧气体，它的形成过程是：
SO3 NH3 H2O→NH4HSO4(1)
硫酸氢铵的产量与烟气中SO3、NH3和H2O的含量成正比。SO3含量对最低氨温的影响最大，其次是NH3和H2O。由于脱硝系统的NOx出口浓度由100mg/m3降低到50mg/m3，因此脱硝系统运行,要避免机组长时间在低负荷运行。
随着脱硝超低排放改造后，我公司最突出的问题就是空预器堵塞，严重时会导致机组限负荷，无法保障机组长周期安全运行，针对这些问题，公司从管理措施、设备优化调整上下功夫，有效解决里氨逃逸超标、空预器堵塞的问题，主要如下：
(1)合理调整燃烧器定制配风，达到燃烧器定制效率与控制脱硝反应器入口NOx浓度最优化，控制入口NOx浓度在设计范围内。
(2)严格控制脱硝反应器出口氨逃逸在规定范围。
(3)为减少喷氨量，在保证出口NOx达标排放的前提下，尽量控制NOx浓度在30-45 mg/m3之间。
(4)严格控制入炉煤硫分，减少空预器硫酸氢氨的生成。
(5)在不同条件下，为缓解空预器蓄热元件堵灰，优先采用提高排烟温度方法，其次选用离线高压水冲洗方法，降低空预器差压， 确保空预器长周期运行。
(6)冬季，尽量避免机组长时间低负荷运行，保证脱硝反应区入口烟温满足最低喷氨温度的要求。
(7)对喷氨“自动”逻辑进行优化，自动跟踪及时，既满足环保要求，又不过量喷氨。
总之，脱硝是火力发电机组烟气技术的发展方向，也是国家环保政策的要求，如何做好脱硝系统的运行维护，有效提高脱硝设备的可靠性，保证机组的安全、环保运行是一项长期而艰巨的任务，也是一个需要在设计、改造和运行上加以探索和积累的阶段，有待进一步完善和改进。
内容来源：当代电力文化
