我國電站鍋爐SCR脫硝系統服役過程中的運行規律

李德波， 廖永進， 徐齊勝

（廣東電網公司電力科學研究院，廣州 510080）

我國是以煤為主要一次能源的國家，煤炭占能源消費總量的60%以上，而發電煤耗量占煤炭消耗量的50%，并會在相當長的時期內保持這一趨勢.2005年我國氮氧化物（NOx）排放總量為19.1×106t，我國大氣環境中的NOx質量濃度遠遠高于其他國家和地區，其中電廠的貢獻率為43%.可見燃煤發電是我國大氣污染物氮氧化物的主要來源之一［1－9］.從“十二五”規劃開始，我國政府高度重視氮氧化物排放的控制工作，2011年7月國家環境保護部發布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，其中規定氮氧化物排放限值從450 mg/m3降至100 mg/m3（新建機組）和200 mg/m3（在役機組）.2011年3月十一屆全國人大四次會議表決通過了《我國國民經濟和社會發展十二五規劃綱要》，明確提出“十二五”氮氧化物減排10%的約束性指標，可見氮氧化物排放的控制工作勢在必行［1－9］.

從國內外技術的應用現狀及氮氧化物排放控制政策來看，隨著氮氧化物排放限制日趨嚴格，煙氣脫硝技術將會被普遍應用.在所有的煙氣脫硝技術中，選擇性非催化還原（SNCR）工藝盡管費用低、設備少，但由于脫硝效率有限，已很難在火電機組尤其是大型火電機組上大規模應用.選擇性催化還原（SCR）技術脫硝效率最高，可以滿足各種嚴格的排放要求，到目前為止，全世界已有裝機容量超過200 GW的燃煤電站機組上應用了SCR脫硝技術.由于我國目前的氮氧化物排放要求已達到世界先進水平，因此SCR脫硝技術必將成為煙氣脫硝技術的主流［1－9］.

筆者針對多家不同機組大小（125～1 000 MW）、不同服役時間（0～5年）、不同廠家的SCR脫硝系統進行了入口和出口煙氣溫度、流速分布、煙氣體積分數、脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率以及系統阻力等性能參數的現場試驗，掌握了火電廠投運SCR脫硝系統后對機組性能的影響規律.研究結果為實現SCR反應器濃度場的均勻分布、提高系統脫硝效率以及避免設備的堵塞和腐蝕具有重要的指導意義和工程應用價值.

1 SCR脫硝系統現場性能試驗主要內容

SCR脫硝系統現場性能試驗一般包括以下內容：（1）脫硝效率試驗；（2）NOx體積分數測試；（3）氨逃逸率測試；（4）SO2/SO3轉化率測試；（5）系統壓降測試；（6）噪聲測試；（7）相關能源消耗（如還原劑消耗、水耗、電耗和汽耗等）的測試；（8）煙氣溫降測試.其中，最重要的測試參數包括 NOx、O2、NH3和SO3體積分數的測量.

2 SCR脫硝系統現場性能試驗方法

2.1 NO x和O2體積分數的測量

現場試驗中NOx體積分數的測量儀器為紅外NOx分析儀，O2體積分數的測量儀器通常為順磁氧量計.由于SCR反應器的面積很大，需采用如圖1所示的自動測量系統.

通過對NOx和O2體積分數的同時測量，將NOx體積分數的數據換算為φ（O2）＝6%基準時的數據.

2.2 NH3體積分數的測量

現場試驗中NH3體積分數的測量采用EPA method CTM 027標準中的方法，采樣系統如圖2所示.

圖1 自動測量系統示意圖Fig.1 Experimental setup for measurement of NO x and O2 concentration

圖2 氨逃逸率測量采樣系統示意圖Fig.2 Experimental setup for measurement of NH3 concentration

3 試驗結果分析及討論

3.1 入口煙溫分布

通過現場性能試驗發現，入口煙溫偏差較小，如圖3所示.其中，A、B、C 3個電廠催化劑服役時間均為20 000 h.由圖3可以看出，A、B、C 3個電廠A、B反應器入口煙溫偏差均在2%以內.從試驗數據得到3個電廠入口煙氣溫度均在350～365℃內，處于催化劑最佳活性溫度區，有利于NO的脫除.

圖3 反應器入口煙溫偏差Fig.3 Deviation of flue gas temperature at reactor inlet

3.2 入口流速分布

通過現場性能試驗發現，入口流速的相對偏差普遍較大，如圖4所示.導致反應器入口流速相對偏差較大的主要原因是導流板布置不合理.

圖4 反應器入口流速相對偏差Fig.4 Relative deviation of velocity at reactor inlet

3.3 入口NO體積分數分布

通過現場性能試驗發現，入口NO體積分數相對偏差較小，并隨著服役時間的延長基本不變，如圖5所示.

圖5 反應器入口NO體積分數相對偏差Fig.5 Relative deviation of inlet NO concentration

3.4 出口NO體積分數分布

通過現場性能試驗發現，當SCR脫硝系統投運22 000 h后，SCR反應器出口NO體積分數相對偏差普遍較大，如圖6所示.對比3個電廠SCR反應器出口NO體積分數相對偏差可以看出，隨著催化劑服役時間的延長，出口NO體積分數相對偏差增大，其中C電廠A反應器出口NO體積分數相對偏差達到32%左右.造成這一現象的主要原因是隨著服役時間的延長，催化劑的活性不斷下降.由于煙道內不同幾何位置的催化劑失活情況不同，導致反應器中各個位置的脫硝效率也不一致，因此出口NO體積分數的相對偏差較大.C電廠催化劑服役時間最長，反應器中各處催化劑活性下降的差別更加明顯，導致其出口NO體積分數相對偏差最大.

圖6 反應器出口NO體積分數相對偏差Fig.6 Relative deviation of outlet NO concentration

3.5 入口流速相對偏差與出口NO體積分數相對偏差的關系

圖7給出了A電廠1號和2號機組的SCR反應器入口流速相對偏差和出口NO體積分數相對偏差的相關性.由圖7可以看出，出口NO體積分數相對偏差與入口流速相對偏差呈明顯正相關關系.造成這一現象的主要原因是入口流速分布的不均勻導致反應器各部分NO脫除效率不均勻，從而導致其出口NO體積分數分布也不均勻.

圖7 反應器入口流速相對偏差與出口NO體積分數相對偏差的相關性Fig.7 Correlation between relative deviation of inlet flow velocity and of outlet NO concentration

3.6 出口NO體積分數相對偏差與脫硝效率的關系

圖8給出了C電廠5號機組SCR反應器出口NO體積分數相對偏差隨脫硝效率的變化.由圖8可以看出，隨著脫硝效率的提高，出口NO體積分數相對偏差明顯增大.當增加噴氨量提高脫硝效率時，催化劑層截面上各處催化劑脫硝效率隨氨氮物質的量比增大而升高的速率相差很大，從而導致出口NO體積分數相對偏差進一步增大.

圖8 反應器出口NO體積分數相對偏差隨脫硝效率的變化Fig.8 Change of relative deviation of outlet NO concentration with denitrification efficiency

3.7 氨逃逸率與脫硝效率的關系

圖9給出了C電廠5號機組SCR反應器出口氨逃逸率與脫硝效率的關系.由圖9可以看出，隨著脫硝效率的提高，出口氨逃逸率明顯提高，并超過6.15 mg/m3限值.這是因為隨著服役時間的延長，煙氣的沖刷磨蝕、玷污堵塞和堿金屬中毒等會使催化劑活性成分流失或中毒、活性降低、體積損失以及反應表面積減小，從而導致其脫硝能力下降.強行增加噴氨量提高脫硝效率時，會導致氨逃逸率急劇升高.氨逃逸率是脫硝反應需要考慮的一個重要參數，因為泄漏的氨會與被催化劑氧化生成的SO3反應生成硫酸氫銨，這些物質在催化劑表面沉積，并在催化劑反應器下游的空氣預熱器和管道上沉積造成堵塞、腐蝕和壓降升高等問題.因此，對于服役時間比較長、氨逃逸率超標的脫硝系統，需要在大小檢修和停機的過程中及時進行催化劑的添加、更新和再生，以提高系統脫硝效率并保證氨逃逸率在設計范圍內.從圖9可以看出，C電廠5號機組脫硝效率達到0.8時，氨逃逸率達到14.35 mg/m3，遠超過設定的6.15 mg/m3的限值，需要對該機組脫硝系統的催化劑及時進行添加和更換.

圖9 反應器出口氨逃逸率隨脫硝效率的變化Fig.9 Change of ammonia escape rate at reactor outlet with denitrification efficiency

4 結 論

（1）反應器入口NO體積分數和溫度分布均勻，相對偏差不隨服役時間的延長而增大.但反應器出口NO體積分數和入口流速分布不均勻，入口流速相對偏差與出口NO體積分數相對偏差呈明顯正相關.

（2）隨著服役時間的延長，催化劑的玷污堵塞、磨蝕和中毒等均會造成催化劑活性下降、反應表面積減小.系統脫硝能力下降日益成為影響系統脫硝性能的主要因素.

（3）催化劑的老化和磨蝕會明顯加大高脫硝效率下反應器出口NO體積分數分布的不均勻性和提高氨逃逸率，而由于檢測設備的不可靠，進一步增大了后續設備安全運行的風險.

（4）流場分布不均和催化劑老化是影響我國電站鍋爐SCR系統性能的關鍵問題.

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