基于燃煤電廠選擇性催化還原(SCR)脫硝原理,揭示氨逃逸的原因和對(duì)機(jī)組運(yùn)行的危害。分析認(rèn)為,影響SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸率的因素包括脫硝催化劑性能、煙氣流場均勻性、鍋爐運(yùn)行方式、噴氨控制邏輯、儀器儀表及測量方式等。針對(duì)SCR系統(tǒng)氨逃逸率的影響因素,結(jié)合電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,提出降低氨逃逸率的控制策略,可為國內(nèi)燃煤電廠超低排放改造及SCR系統(tǒng)性能優(yōu)化提供參考。

0 引言

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，燃煤電廠現(xiàn)有環(huán)保裝置需要進(jìn)行超低排放改造，要求在基準(zhǔn)氧含量為6%的條件下，NOx排放質(zhì)量濃度不高于50mg /m3( 標(biāo)態(tài)) 。脫硝超低排放技術(shù)路線大多采用低氮燃燒器和選擇性催化還原( SCR) 組合方式，脫硝效率和NH3逃逸率是衡量SCR脫硝系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。電廠機(jī)組通過更換或增加催化劑層，實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率，滿足NOx排放要求，同時(shí)控制氨逃逸率在3×10－6以下。

電廠實(shí)際運(yùn)行過程十分復(fù)雜，難以達(dá)到排放指標(biāo)時(shí)，往往通過增加噴氨量來提高脫硝效率，造成氨逃逸率超標(biāo)。過量的逃逸氨和煙氣中的SO3發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞、除塵效率下降、催化劑受損等一系列問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行，降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性。嚴(yán)格控制脫硝系統(tǒng)氨逃逸率已是燃煤機(jī)組運(yùn)行不容忽視的問題。本文通過揭示脫硝系統(tǒng)氨逃逸形成原因、影響因素，探討氨逃逸率控制技術(shù)方法，為國內(nèi)燃煤電廠超低排放改造及實(shí)際機(jī)組運(yùn)行提供參考。

1 氨逃逸的生成機(jī)理及危害

燃煤電廠SCＲ 脫硝反應(yīng)器中，NH3選擇性催化還原煙氣中NOx的主要化學(xué)反應(yīng)為:

4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O， ( 1)

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O， ( 2)

4NH3 + 2NO2 + O2 = 3N2 + 6H2O， ( 3)

8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O。( 4)

煙氣中90% ～ 95%的NOx以NO 形式存在，以上反應(yīng)中以反應(yīng)( 1) 為主。NO 與NH3的摩爾比為1∶1理論上講1 mol 的NH3可以完全還原1 mol 的NO。實(shí)際運(yùn)行中，受反應(yīng)條件限制和副反應(yīng)的影響，無法保證NO 完全脫除，所以SCR脫硝反應(yīng)效率一般在95%左右。

燃煤煙氣中含有一定質(zhì)量濃度的SO2以及少量SO3，SO2在催化劑作用下進(jìn)一步氧化生成SO3，SO3與NH3及水蒸氣反應(yīng)生成硫酸氫銨與硫酸銨。

通常條件下，硫酸氫銨的露點(diǎn)為147 ℃，其凝結(jié)物呈中度酸性且具有很大黏性，黏附在催化劑和空氣預(yù)熱器的換熱元件表面上，加劇換熱元件的腐蝕和堵灰，影響換熱效果和鍋爐效率，且飛灰中氨含量增大，濕法脫硫廢水及空氣預(yù)熱器清洗水中氨含量也會(huì)相應(yīng)增大。

硫酸氫銨形成溫度隨著NH3和SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)乘積的升高而升高，影響規(guī)律如圖1所示。電廠鍋爐空氣預(yù)熱器冷端運(yùn)行溫度一般低于硫酸氫銨的露點(diǎn)，加大了受熱面堵塞和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須嚴(yán)格控制SCＲ脫硝系統(tǒng)噴氨量及氨逃逸率。

2 影響氨逃逸率的主要因素

2.1 脫硝催化劑性能

脫硝催化劑活性是影響氨逃逸率的根本原因，煙氣溫度、含水率、氧含量、煙塵質(zhì)量濃度等因素均會(huì)對(duì)催化劑活性產(chǎn)生影響。煙氣中的堿金屬、砷元素等容易引起催化劑中毒，催化劑長期運(yùn)行中發(fā)生燒結(jié)堵塞、腐蝕、硫酸銨鹽和飛灰沉積等，均會(huì)使其活性降低，導(dǎo)致未反應(yīng)的氨量增加。隨著脫硝效率的升高，氨逃逸率呈升高趨勢(shì)，當(dāng)脫硝效率高于設(shè)計(jì)值時(shí)，氨逃逸率大幅度增加，如圖2所示。

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，催化劑活性下降，脫硝效率降低，要維持較高的脫硝效率和較低的NOx排放質(zhì)量濃度，實(shí)際運(yùn)行中往往需要提高氨氮摩爾比，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率急劇增加，進(jìn)一步使催化劑活性降低，引發(fā)惡性循環(huán)。

2.2 流場均勻性

煙氣流場均勻性是指SCＲ脫硝系統(tǒng)入口煙氣來流均勻性及噴氨后氨氮混合均勻性。在煙道的轉(zhuǎn)彎、收縮、擴(kuò)張段，由于流動(dòng)空間的改變，氣流被迫改變運(yùn)動(dòng)方向，出現(xiàn)渦流，造成流動(dòng)速度的分層和改變，導(dǎo)致煙氣流場不均勻。運(yùn)行過程中，導(dǎo)流板磨損、積灰、噴嘴堵塞、煙氣流量超過設(shè)計(jì)值等因素也會(huì)導(dǎo)致流場不均，影響氨氮摩爾比分布。

流場和氨氮摩爾比分布不均勻會(huì)導(dǎo)致脫硝效率下降，且氨氮摩爾比分布偏差越大，對(duì)脫硝效率影響越大。當(dāng)氨氮摩爾比不均勻時(shí)，在氨氮摩爾比減小的區(qū)域，脫硝效率下降，而氨氮摩爾比增大超過1的區(qū)域，脫硝效率并不能因此增大，從而使總的脫硝效率下降。尤其是在超低排放要求下，要求的脫銷效率越高，氨氮摩爾比不均勻性的影響越明顯，氨逃逸率增長趨勢(shì)也越明顯。由圖3可見，當(dāng)脫硝效率為92%時(shí)，當(dāng)氨氮摩爾比偏差從2% 增加到12% 時(shí)，氨逃逸率從1.00 ×10－6增加到8.00 ×10-6。

2.3 鍋爐運(yùn)行方式

機(jī)組負(fù)荷、煙溫、燃燒狀況等運(yùn)行參數(shù)對(duì)脫硝效率和氨逃逸率有明顯影響。過高的燃盡風(fēng)率或過高的氧含量可增加SCR入口NOx質(zhì)量濃度，進(jìn)而影響脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和氨逃逸率。一般認(rèn)為，SCR反應(yīng)器內(nèi)煙溫降低使催化劑活性下降，導(dǎo)致氨逃逸率增加，煙溫不能長期低于SCR脫硝系統(tǒng)連續(xù)噴氨溫度，否則將導(dǎo)致硫酸氫銨生成和催化劑失活。也有研究表明，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣在催化劑層停留時(shí)間增加可削弱催化劑活性降低的影響，通過設(shè)定合適的脫硝效率，能夠有效控制系統(tǒng)氨逃逸率。

2.4 噴氨控制系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)噴氨控制系統(tǒng)一般采用固定氨氮摩爾比或固定SCR出口NOx質(zhì)量濃度的控制方式。固定氨氮摩爾比控制原理是依據(jù)脫硝效率，按照固定的氨氮摩爾比脫除煙氣中NOx，其控制邏輯如圖4 所示。固定SCR出口NOx質(zhì)量濃度控制方法的主控制回路與固定氨氮摩爾比的控制方式基本相同，不同之處在于引入了反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度，脫硝效率根據(jù)反應(yīng)器入口NOx質(zhì)量濃度和反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)定值計(jì)算獲得，氨氮摩爾比是脫硝效率的函數(shù)。

編輯：李丹