摘要：選擇性催化還原(ivecatalyticreduction，SCR)煙氣脫硝過程中造成空氣預(yù)熱器腐蝕、堵塞的根本原因是氨逃逸。分析了流場(chǎng)分布、噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)和煙氣分析儀表等對(duì)氨逃逸的影響，提出減少氨逃逸的措施，建議對(duì)噴氨格柵噴嘴進(jìn)行改進(jìn)。  

0引言  

某燃煤電廠3、4號(hào)機(jī)組裝機(jī)容量均為600MW，運(yùn)行后在1年內(nèi)3號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器的阻力比4號(hào)機(jī)組高約1kPa，原因是3號(hào)機(jī)組安裝了選擇性催化還原脫硝裝置，脫硝過程會(huì)產(chǎn)生具有粘性的硫酸氫銨，粘結(jié)飛灰附著于空氣預(yù)熱器造成腐蝕和堵塞，增大其阻力。  

1硫酸氫銨生成機(jī)理及主要影響因素  

SCR煙氣脫硝法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脫硝效率高、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是火電機(jī)組控制氮氧化物排放最可靠的手段。3號(hào)機(jī)組安裝SCR脫硝裝置，采用液氨作為原料。SCR脫硝裝置適宜的煙氣溫度為290～420℃，安裝在省煤器和空氣預(yù)熱器之間的2個(gè)煙道內(nèi)，為高溫、高塵布置方式。煙氣系統(tǒng)流程布置如圖1所示，采用聲波吹灰方式，未設(shè)置煙氣旁路和省煤器高溫旁路系統(tǒng)。催化劑目前安裝2層，上部預(yù)留1層，脫硝效率設(shè)計(jì)為不小于80%。  

圖1SCR脫硝裝置煙氣系統(tǒng)布置  

氨氣由液氨氣化，經(jīng)空氣稀釋后通過噴氨格柵噴入煙道內(nèi)，與煙氣混合后一起通過催化劑層，在催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)將以一氧化氮為主的氮氧化物(NOx)還原，主要反應(yīng)如下:  

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O；  

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O；  

6NO2+8NH3→7N2+12H2O；  

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O。  

由于各種原因，必然有部分氨氣未能參與反應(yīng)，隨煙氣排放，形成氨逃逸。  

脫硝過程同時(shí)也會(huì)發(fā)生一些不利的副反應(yīng)，催化劑中的活性組分釩在催化降解NOx的過程中，也會(huì)對(duì)SO2的氧化起一定的催化作用。SO2的氧化率隨活性組分V2O5含量、煙氣溫度的增加而上升，要求控制在1%以下，其反應(yīng)如下:  

V2O5+SO2→V2O4+SO3；  

2SO2+O2+V2O4→2VOSO4；  

2VOSO4→V2O5+SO2+SO3。  

另外，鍋爐燃燒也會(huì)產(chǎn)生一部分SO3。逃逸氨和鍋爐燃燒產(chǎn)生的SO3以及在SCR脫硝裝置區(qū)域轉(zhuǎn)化生成的SO3發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸氫銨和硫酸銨，反應(yīng)如下：  

NH3+SO3+H2O→NH4HSO4；  

2NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4。  

硫酸氫銨和硫酸銨的形成互相起一定的促進(jìn)作用，其中硫酸銨為干燥固體粉末，對(duì)空氣預(yù)熱器影響很小。硫酸氫銨是一種粘性很強(qiáng)的物質(zhì)，很容易在空氣預(yù)熱器冷端沉積，并促使大量飛灰附著于空氣預(yù)熱器，從而影響其傳熱性能，增大其阻力。這就是3號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器堵塞的原因。圖2為3號(hào)機(jī)組空氣預(yù)熱器冷端堵塞、腐蝕情況。  

圖23號(hào)機(jī)組空預(yù)器冷端堵塞、腐蝕情況  

硫酸氫銨的形成取決于反應(yīng)物的濃度和它們的比例。3號(hào)機(jī)組燃煤為煙煤，其含硫全年平均為0.5%左右，為低硫分煤，相對(duì)其他機(jī)組3號(hào)機(jī)組鍋爐燃燒產(chǎn)生的SO3濃度是較低的，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)SO2/SO3轉(zhuǎn)化率為0.79%，優(yōu)于1%的設(shè)計(jì)值。因此，可以判定硫酸氫銨的形成量主要是受氨逃逸的影響，解決空氣預(yù)熱器堵塞和腐蝕的關(guān)鍵是減少氨逃逸。  

2氨逃逸的影響因素  

2.1流場(chǎng)分布  

流場(chǎng)分布是脫硝煙氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)最核心的部分。以往有人認(rèn)為脫硝過程流場(chǎng)分布涉及到煙氣速度分布和氮氧化物濃度分布2個(gè)部分。表1為3號(hào)機(jī)組噴氨格柵前A側(cè)煙道截面上網(wǎng)格布點(diǎn)測(cè)試得出的各點(diǎn)氮氧化物濃度值。‘  

表1A側(cè)各點(diǎn)氮氧化物濃度  

從表1可以看出，氮氧化物濃度分布基本是均勻的，因此流場(chǎng)分布只要保證煙氣流速均勻即可，而不必考慮各點(diǎn)氮氧化物濃度不同的問題。同時(shí)，SCR脫硝裝置入口NO分析儀采集到的NOx值具有代表性。但不同的出口點(diǎn)由于氨逃逸量不同，NO分析儀所測(cè)量到的值不一定有代表性。  

流場(chǎng)設(shè)計(jì)通過流體模型試驗(yàn)或計(jì)算機(jī)仿真模型模擬數(shù)值計(jì)算來驗(yàn)證并修正煙氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將煙氣的均勻性偏差控制在合理范圍內(nèi)。3號(hào)機(jī)組在圖1所示的B截面前的拐角處和C截面煙氣改變方向處設(shè)置了導(dǎo)流板。設(shè)置前一組導(dǎo)流板的目的是使煙氣均勻地通過噴氨格柵。由于噴氨格柵各個(gè)噴嘴在煙道截面上呈網(wǎng)格分布，因此可調(diào)節(jié)氨氣使其在各個(gè)噴嘴的流量基本相同，實(shí)現(xiàn)煙氣和氨氣的均勻混合。另外，在噴氨格柵噴嘴上方設(shè)置了一定數(shù)量的擾流管，以加快氨氣與煙氣的混合均勻。設(shè)置后一組導(dǎo)流板的目的是使煙氣均勻地通過催化劑，加之截面A的上方有較大的空間，實(shí)現(xiàn)煙氣均勻通過催化劑層。  

前述流場(chǎng)設(shè)計(jì)中一些導(dǎo)流板的設(shè)置沒有作用，甚至起到了負(fù)面作用。流場(chǎng)設(shè)計(jì)要解決2個(gè)問題，一是使煙氣均勻地通過催化劑層，二是使氨氣盡快地與煙氣均勻混合，其中解決第2個(gè)問題更為重要。煙氣通過催化劑的速度一般為4～6m/s，而每層催化劑的高度僅1m，這樣每層催化劑的反應(yīng)時(shí)間僅0.2s左右。因此，如果在催化劑層部分區(qū)域存在氨氣濃度過高，超過了脫硝需要，就會(huì)造成氨逃逸。  

解決第一個(gè)問題，C截面處的導(dǎo)流裝置對(duì)此不會(huì)有任何幫助，此處或更前位置的氣流均布與最終煙氣均勻地通過催化劑層無關(guān)。煙氣均勻地通過催化劑取決于A截面上方有足夠的空間，以及在A截面如何均流。實(shí)現(xiàn)第二個(gè)目的，應(yīng)加強(qiáng)C截面前的湍流，一般認(rèn)為雷諾數(shù)高的湍流擴(kuò)散效果更好，因此，可以認(rèn)定C截面前的導(dǎo)流板不利于氨氣與煙氣的均勻混合。  

氨氣通過各個(gè)噴嘴均勻地噴入煙道內(nèi)，但在機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后的檢修中發(fā)現(xiàn)有部分噴嘴堵塞，導(dǎo)致氨氣噴入不均勻，且在不停機(jī)的情況下無法解決。噴嘴堵塞后，原有的噴氨格柵處氨氣和煙氣都均勻分布，因此實(shí)現(xiàn)氨氣與煙氣混合均勻的方法就沒有了意義。  

流場(chǎng)設(shè)計(jì)的思路應(yīng)簡(jiǎn)化如下：  

在C截面之前加強(qiáng)湍流，不進(jìn)行煙氣導(dǎo)流；A截面上方盡量保留足夠大的空間，在這個(gè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)煙氣均勻通過催化劑層。這樣可以簡(jiǎn)化布置，實(shí)現(xiàn)氨氣和煙氣盡快均勻混合，也可以簡(jiǎn)化煙氣通過催化劑層的布置。  

2.2噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)和煙氣分析儀表  

在脫硝過程中氨的噴入是自動(dòng)調(diào)節(jié)的，氨氣的噴入量按照(設(shè)定的NH3/NOx摩爾比)滿足機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行負(fù)荷條件下脫除NOx的需要量而設(shè)定。  

控制系統(tǒng)通過SCR脫硝裝置進(jìn)口NO分析儀測(cè)量值、煙氣流量以及出口NO設(shè)定值計(jì)算需要脫除的NO總物質(zhì)的量，根據(jù)NO-NO2的典型比例關(guān)系(1.05)折算到NOx物質(zhì)的量。  

注入的氨質(zhì)量流量根據(jù)需要脫除的NOx物質(zhì)的量確定，脫除多少物質(zhì)的量的NOx就需要消耗多少物質(zhì)的量的氨?？刂葡到y(tǒng)通過反饋信號(hào)將計(jì)算的氨流量給定值傳給氣氨流量調(diào)節(jié)閥。氣氨流量調(diào)節(jié)閥根據(jù)反饋信號(hào)來調(diào)節(jié)閥門的開度以控制氣氨流量符合設(shè)定值。氨氣流量由流量計(jì)測(cè)得，并根據(jù)壓力和溫度進(jìn)行修正。自動(dòng)調(diào)節(jié)非常重要，調(diào)節(jié)效果差意味著在某些時(shí)候噴入的氨氣大于需要值，形成氨逃逸。  

3號(hào)機(jī)組NO分析儀為完全抽取式，根據(jù)DL/T960-2005《燃煤電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)訂貨技術(shù)條件》的要求，分析儀的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在180s以內(nèi)。3號(hào)機(jī)組SCR脫硝裝置進(jìn)口、出口NO分析儀均可以在1.5min左右測(cè)量到真值，響應(yīng)時(shí)間較快，但對(duì)于SCR脫硝過程仍有不足。3號(hào)機(jī)組鍋爐在啟停磨煤機(jī)、快速升降負(fù)荷時(shí)，NO濃度在1.5min內(nèi)變化值可達(dá)30%以上，由于計(jì)算氨氣噴入量所用的NO值為此1.5min以前的值，導(dǎo)致實(shí)際需要量與計(jì)算指令給出的值沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果前者大于后者，氨逃逸短時(shí)間內(nèi)將大量增加。因此，有必要采用直接測(cè)量法采集NO濃度值，同時(shí)提高煙氣量、氨氣流量等其他儀表的精度。  

在上述問題解決前，建議在進(jìn)行啟停磨煤機(jī)、快速升降負(fù)荷等會(huì)導(dǎo)致煙氣量和NOx濃度大幅變化的操作時(shí)，氨氣的噴入量迅速下降至較低值，以避免由于氨氣噴入量大于實(shí)際需要量導(dǎo)致氨逃逸量突然增加。  

另外，為防止過濾單元堵塞，NO分析儀設(shè)置了定時(shí)反吹，從反吹開始到重新采集到真值，需要4min左右的時(shí)間。一般邏輯上NO值采用反吹開始前的值，一旦機(jī)組煙氣量和NO濃度發(fā)生變化，很容易造成氨逃逸值增加。在NO分析儀進(jìn)行反吹維護(hù)時(shí)，也有必要減少氨氣的噴入量。  

氨逃逸的檢測(cè)一般采用光學(xué)測(cè)量方法，但由于儀器安裝在煙道上振動(dòng)大，煙氣條件惡劣，導(dǎo)致測(cè)量偏差大，可信度低。目前市場(chǎng)上沒有較為可靠的用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量氨逃逸的儀表，因此，不能僅依靠氨逃逸測(cè)量?jī)x表來判斷，還應(yīng)根據(jù)催化劑的殘余活性，設(shè)定最低出口NO濃度值。當(dāng)出口NO濃度值低于設(shè)定值時(shí)，意味著氨逃逸處于一個(gè)較高的水平?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明SCR脫硝裝置出口截面上各點(diǎn)NOx濃度存在較大偏差。氨逃逸一般不會(huì)在整個(gè)SCR脫硝裝置出口截面上產(chǎn)生，出口截面上各點(diǎn)NO的濃度差異也是較大的，因此氨逃逸測(cè)量表和出口NO分析儀的安裝位置非常重要，所測(cè)值必須具有代表性。  

2.3其他因素  

SCR脫硝裝置最低運(yùn)行溫度必須高于催化劑的最低溫度限值，當(dāng)運(yùn)行溫度低于該值時(shí)，催化劑活性下降，噴入的氨無法被脫硝過程所利用，形成氨逃逸。  

3號(hào)機(jī)組催化劑廠家提供的最低溫度限值為295℃，但由于環(huán)保需要，3號(hào)機(jī)組在煙氣溫度達(dá)到285℃時(shí)即開始噴氨，進(jìn)行煙氣脫硝，必然造成氨逃逸的增加。而且，3號(hào)機(jī)組SCR脫硝裝置已運(yùn)行滿3年，其催化劑活性有一定的下降，最低溫度限值應(yīng)根據(jù)催化劑殘余活性、環(huán)保要求等因素重新整定。此外，也可考慮采用配煤等方式適當(dāng)提高實(shí)際煙氣溫度。  

催化劑活性下降也會(huì)導(dǎo)致氨逃逸的增加，通過檢測(cè)，催化劑活性殘值仍達(dá)到80%以上，活性下降屬正常水平。積灰會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域催化劑失去作用，檢修期間檢查催化劑積灰情況，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的積灰區(qū)域。  

2.4噴嘴  

噴嘴堵塞將加劇氨逃逸的產(chǎn)生?，F(xiàn)有噴氨格柵噴嘴方向(氨氣噴入方向)與煙氣流向相同，這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可避免高塵煙氣直接沖擊噴嘴而使高濃度煙塵堵塞噴嘴。  

但噴嘴順煙氣方向也有一定的弱點(diǎn)，其一是氨氣在混合階段的停留時(shí)間短，與煙氣的混合效果會(huì)明顯弱于逆煙氣方向噴入；其二是同方向布置也不能完全避免噴嘴堵塞，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)緊挨煙道壁的噴嘴基本全部堵塞，中間的噴嘴也有少量堵塞。在機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的條件下，煙道壁、噴氨格柵上方煙道內(nèi)鋼支架以及擾流管逐步積灰形成一定厚度后成片掉落，從而堵塞正下方的噴嘴。  

因此建議對(duì)噴嘴進(jìn)行改進(jìn)，可在每個(gè)噴嘴上方安裝一把“小傘”，通過“小傘”的作用，將氨氣同方向噴入改為逆方向噴入，延長(zhǎng)氨氣在混合階段的停留時(shí)間，加強(qiáng)與煙氣的混合，同時(shí)也避免了落灰堵塞噴嘴。  

3結(jié)語  

3號(hào)機(jī)組在低SO3濃度水平下，空氣預(yù)熱器被硫酸氫銨嚴(yán)重腐蝕并造成堵塞，其根本原因是氨逃逸。因此如何降低氨逃逸量，是所有安裝SCR脫硝裝置機(jī)組面臨的問題，應(yīng)該予以高度重視。

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