燃煤發電機組脫硝系統穩定運行影響因素分析

武紀原

（江蘇新海發電有限公司，江蘇連云港222023）

燃煤發電機組脫硝系統穩定運行影響因素分析

武紀原

（江蘇新海發電有限公司，江蘇連云港222023）

維持火電廠脫硝系統穩定運行有助于氮氧化物的達標排放。文中介紹了某電廠1號機組選擇性催化還原法脫硝（SCR）系統工作原理及存在的主要問題，通過分析脫硝SCR系統穩定運行的影響因素，采取相關措施促使脫硝系統穩定運行，實現氮氧化物長期穩定達標排放。

燃煤；SCR；運行；穩定性

隨著火電廠大氣污染物排放標準 （GB 13223—2011）實施，對火電廠NOx的排放有了更高的要求，因此火電廠脫硝系統的重要性也隨之提高，它的安全穩定運行直接影響燃煤機組NOx的達標排放。某火電廠1號機組2012年投入運行，采用SCR脫硝及低氮燃燒技術嚴格控制煙氣NOx排放指標。該機組自2012年底投產后，曾多次出現因設備故障脫硝SCR系統退出運行的情況，大大影響煙氣中NOx的達標排放，為此通過對脫硝系統設備的改造及加強運行維護管理，減少了脫硝系統退出運行的情況。

1　脫硝SCR原理

選擇性催化還原法脫硝（SCR）技術是目前國際上應用最為廣泛的煙氣脫硝技術，在日本、歐洲、美國等國家和地區的大多數電廠中基本都應用此技術，它裝置結構簡單，并且脫除效率高（可達90%以上），運行可靠，便于維護等優點。

SCR技術原理為：利用氨（NH3）的還原性將一定體積濃度的氨氣通過氨氣噴射格柵噴入溫度為320～420℃的煙氣中，與煙氣中的NOx混合后，擴散到催化劑表面，在催化劑的作用下氨氣（NH3）將煙氣中的NO 和NO2還原成無害的氮氣（N2）和水（H2O）。同時催化劑還會將SO2氧化為SO3，如圖1所示。

圖1　SCR工作原理示意圖

主要的反應方程式：

脫硝催化劑使煙氣中部分SO2氧化生產SO3，煙氣中殘留的氨與SO3反應生成（NH4）2SO4，NH4HSO4很容易粘污催化劑從而影響脫硝效率，同時對空氣預熱器影響也很大。副反應［1］有：

2　脫硝SCR系統

1號機組采用由上海鍋爐廠生產的SG-3049/28.25-M548型螺旋管圈直流爐。該鍋爐采用低氮燃燒器及四角切圓燃燒方式，配置6層制粉系統及7層配風（6 層SOFA+1層CCOFA）。與1號鍋爐相配套的煙氣脫硝系統由上海電氣電站集團環保工程有限公司設計安裝的煙氣脫硝裝置。脫硝SCR系統由稀釋風機、混合器、噴氨柵格、催化劑、蒸汽吹灰器等組成。SCR脫硝系統采用高灰型布置方式，即布置在省煤器與空氣預熱器之間的高含塵區域。SCR脫硝系統配有安裝兩層催化劑層和一層預留附加催化劑空間，即按照“2+1”模式布置，初裝兩層德國亞基隆公司提供的板式催化劑。每層催化劑上方安裝8個半伸縮耙式蒸汽吹灰器。反應劑為液氨。稀釋風機送入的空氣稀釋來自氨站的氨氣，混合器中氨/空氣的混合物通過布置在脫硝催化劑上游的氨噴射格柵進入煙道與煙氣混合，經過導流板混合均勻后進入脫硝催化劑層，催化劑促使氨氣同煙氣中的NOx反應，將鍋爐煙氣中的NOx還原成氮氣和水，達標煙氣依次進入空預器、靜電除塵器、引風機和脫硫，最后通過煙囪排入大氣。在附加催化劑層不投用的前提下，脫硝SCR系統處理鍋爐BMCR 100%煙氣量，確保NOx的脫除效率不低于80%，氨逃逸率不大于1.5 mg/m3，SO2/SO3轉化率小于1%。

脫硝供氨系統由氨存儲系統及氨輸送系統組成。外購的液氨通過液氨槽車運送至液氨存儲罐區 （氨站）。通過卸氨壓縮機將氨站中液氨儲罐內的氣氨壓縮后送入液氨槽車，利用兩端的壓差將液氨槽車中的液氨輸送到液氨儲罐內；液氨經過氨蒸發器蒸發成氣氨后進入混合器同通過稀釋風機注入的空氣混合稀釋后進入SCR反應區。

SCR運行過程中存在一些問題，如供氨管路堵塞導致氨輸送中斷、稀釋風系統出力不足導致氨空比異常、脫硝催化劑活性降低、表計測量故障等。

3　因素分析及應對措施

3.1NOx生成量影響SCR系統穩定運行

鍋爐NOx生成量受燃料、鍋爐燃燒情況、燃燒器類型等多種因素的影響。NOx產生穩定有助于SCR系統穩定運行，污染物達標排放。NOx生成量重要的影響因素有：

（1）燃料煤量煤質及鍋爐運行溫度。煤質的含氮量直接關系燃料型NOx的生成燃燒生成的NOx隨鍋爐運行溫度的升高而增加；煤質中硫元素含量同樣會影響NOx的生成；揮發份高煤質燃燒相對NOx生成量低，NOx的產生隨煤量的增加而增加，運行溫度越高則NOx產生的量越大［2］。

（2）爐膛內過量空氣系數。爐膛內燃燒通過配比一二次風量調節，采用分級燃燒模式，降低過量空氣系數，限制爐膛內煙氣含氧濃度，從而控制爐膛內熱力型NOx和燃料型NOx的生成量。正常工況下，爐膛內煙氣含氧量低于5%。鍋爐空氣系數過大，不僅會增加鍋爐的排煙熱損失，更會大量生成NOx；過量空氣系數過小，會導致燃料不完全燃燒，降低鍋爐經濟性。因此過量空氣系數應在合理范圍內。

（3）選用合適的低氮燃燒器控制NOx的產生。1號機組選用濃淡燃燒型低氮燃燒器，它通過燃燒時燃料過?；鹧鎱^與空氣過剩的火焰區相錯排列實現燃燒過程的延緩，降低鍋爐燃燒區溫度，抑制NOx的生成。

3.2煙道中流場分布影響SCR系統穩定運行

（1）煙道煙氣流場均勻性影響SCR系統穩定運行。當局部煙氣流速過大，易對催化劑造成沖刷磨損，減少催化劑壽命。局部煙氣中NOx濃度過高，超過催化劑反應能力，易降低脫硝效率；局部煙氣中NOx濃度偏低，易增加氨逃逸，產生二次污染。

（2）氨氣同空氣混合均勻性影響SCR系統穩定運行。為保證氨同空氣在SCR系統中混合均勻以及安全性必須在SCR運行過程中持續運行稀釋風機，并在機組停機過程中噴氨電動門關閉后仍需運行一段時間。稀釋風機設備故障、稀釋風機濾網臟等原因導致稀釋風量出力不足或稀釋風流量表計測量故障等易導致氨空比異常。

3.3脫硝催化劑性能影響SCR系統穩定運行

脫硝系統催化劑［3］在脫硝還原反應中起到關鍵性的作用。催化劑的品質好壞直接影響SCR系統脫硝性能。平板式催化劑是采用不銹鋼金屬絲網為基材，以Ti-W-V為主要活性材料，采用TiO2等物料為載體表面涂敷或浸泡活性物質后燒結成型，有著比表面積小，壓損小、抗腐蝕和磨損性高，對高塵環境的適應力強等優點。脫硝催化劑的正常工作溫度為320～420℃。在其他溫度條件下容易導致催化劑失活。脫硝催化劑失活是指催化劑在包括沾污、堵塞、中毒和熱燒結等復雜的物理和化學過程中產生的性能降低。溫度較低時，脫硝系統化學副反應生成的硫酸氫銨易導致催化劑小孔堵塞影響催化劑活性，當催化劑長期在高溫環境中運行，出現微晶結構變化而造成催化劑活性不可逆轉的降低。隨著催化劑失活或者表面被飛灰覆蓋或堵塞，為了維持NOx脫除率實現NOx排放達標，就必須增加反應器中NH3/NOx摩爾比，將導致氨逃逸量增加，增加脫硝SCR運行成本的同時也增加空預器等設備堵塞的風險。

在機組啟停階段，鍋爐往往采用投油穩燃的方式，煙氣中易含有未燃盡的油污，沾污脫硝催化劑。隨著運行時間的增長，安裝在高灰區域的催化劑容易積灰堵塞，不僅僅增加機組運行經濟成本（增加引風機電耗及氨逃逸風險等），更直接影響機組的安全穩定運行（增加煙道爆燃風險）。催化劑區域煙氣流速若超過技術協議的規定值，流速過高，會對催化劑產生磨損，降低脫硝催化劑的使用壽命。催化劑表面潮濕或含水會引發水溶性堿金屬、砷化物進入催化劑內部堆積，導致催化劑失活［4］，因此脫硝催化劑吹灰一定要使用過熱蒸汽才允許啟動吹灰程序。鍋爐停運前需要增加催化劑的吹灰頻次，迫使催化劑表面未燃盡的碳及油污同催化劑分離。1號機組脫硝催化劑2015年3月催化劑（已運行近20 000 h）送檢的樣品顯示催化劑活性保留83%新催化劑活性，如圖2所示。

圖2　脫硝催化劑活性檢測報告中催化劑活性（1號機組結論）

3.4供氨系統故障影響SCR系統穩定運行

1號機組脫硝系統運行過程中出現過供氨系統設備阻火器故障導致脫硝退出運行的情況。氨氣屬于易燃氣體，在參與煙氣混合的過程中若遇到煙道二次燃燒則易發生險情，故在噴氨管道上設置了阻火器，阻火器是由多層不銹鋼網狀金屬層構成，通過阻火元件足夠小的縫隙實現阻斷火焰傳輸，達到阻斷火焰燃燒至整個管網的作用。由于輸送液氨管路及采購的液氨及運輸液氨的罐車內會存在些雜質，2014年1號機組在運行過程中出現過阻火器堵塞的情況導致脫硝退出運行，氮氧化物超標排放，濃度值甚至高達300 mg/m3以上，嚴重影響了脫硝系統的穩定運行和NOx達標排放。為此利用機組檢修時機，對噴氨系統阻火器段管路進行技改，加裝阻火器旁路，實現了脫硝運行過程中在線更換阻火器，消除了因阻火器阻塞導致脫硝退出運行的風險，確保SCR系統穩定運行。改造后的阻火器旁路工藝流程示意圖如圖3所示。

圖3　阻火器旁路改進后工藝流程示意圖

另外，液氨存儲罐區的部分閥門采用碳鋼材料，運行一段時間后出現閥門卡澀的情況，影響供氨系統安全運行，將故障閥門更換為不銹鋼材質后降低了氨存儲區設備故障率，確保SCR系統穩定運行。

3.5脫硝系統表計測量影響SCR穩定運行

脫硝系統正常運行狀況下，脫硝系統安裝的進出口CEMS及氨逃逸表取樣位置的選取直接影響測量數值的代表性。CEMS表計故障不僅影響脫硝效率的計算，同時也影響脫硝自動調節品質和環保指標的考核。脫硝反應器入口煙溫決定SCR投入運行的時機；稀釋風機流量、稀釋風母管壓力、噴氨流量等測量準確性直接影響噴氨電動門的啟停及氨空比的數值計算，從而影響SCR系統的穩定運行。氨逃逸數值反映未參與化學反應的還原劑的量，也可推測脫硝催化劑性能的變化。催化劑差壓的測量反映催化劑內阻力情況，是調整催化劑吹灰頻次的依據。

4　確保脫硝穩定運行的預防措施

（1）加強鍋爐運行燃燒調整。綜合優化磨組燃燒，調整鍋爐風煤比，控制爐膛溫度，降低過量空氣系數，選用優質低氮燃燒器，使得爐膛出口煙氣中氧量3%左右，減少NOx的生成量。同時火電行業效益受煤炭行業影響波動較大，從經濟運行角度考慮往往鍋爐燃燒的煤種很難時刻保證為設計煤種。加強購入原煤的合理摻配，使得入爐煤質成分低于設計限值，從而確保脫硝系統穩定運行、污染物達標排放。

（2）加強脫硝系統設備運行管理。日常運行過程中密切監視氨空比及氨逃逸率，氨空比上升到5%立即報警顯示，提醒運行人員異常狀況并及時采取措施避免脫硝退出運行的情況發生。通過小風門調節鍋爐燃燒，降低煙氣含氧濃度，控制煙氣NOx的生成，限制脫硝SCR入口NOx濃度。確保SCR系統運行中催化劑的吹灰頻次，催化劑壓差較大時應增加吹灰頻次。主要運行設備定期切換，如稀釋風機、壓縮機等。設備故障缺陷及時發現快速處理避免影響污染物超標排放；備用稀釋風機進口濾網定期清洗，防止風機出力下降。

（3）加強監測手段、確保重要表計正常工作。運行參數是運行人員作出相應調整的重要依據，確保相關運行參數的準確性尤為重要。脫硝SCR系統中CEMS表計、噴氨流量、氨逃逸等表計在運行過程中示值準確有助于運行人員正確判斷脫硝系統運行質量及催化劑質量情況，采用表計定期比對校準等方法減少測量偏差，確保脫硝系統重要運行參數的測量準確。

（4）催化劑定期取樣化驗。利用機組調停檢修的機會定期對催化劑進行抽樣化驗，了解其活性性能參數及預估其剩余使用壽命，做好廢催化劑處置的相關前期準備工作，避免發生因催化劑性能過度降低影響脫硝穩定運行的情況。

5　結束語

通過公司1號機組脫硝系統穩定運行影響因素分析，找出確保脫硝SCR穩定運行的解決方法，并采取相應可行措施降低脫硝系統退出運行的風險。2015年全年1號機組脫硝設施投運率99.6%，氮氧化物排放達標率99.4%，較好地實現了1號機組中高負荷段脫硝系統長期穩定運行和NOx達標排放，為污染物減排做出了貢獻。此外目前需提前準備技術改造方案，解決低負荷工況下的脫硝系統無法投入的問題，最終實現全負荷脫硝。

［1］陳大鵬，王 平，陳 樹.脫硝系統的投入與空預器堵塞的研究［J］.江蘇電機工程，2015，34（S1）：66-68.

［2］高小濤.燃煤電站鍋爐煤質特性對氮氧化物排放量的影響分析［J］.江蘇電機工程，2008，28（11）：31-33.

［3］陳崇明，宋國升，鄒斯詣.SCR脫硝催化劑在火電廠的應用［J］.電站輔機，2010（31）：14-17.

［4］徐敬瑋，劉云海.煙氣脫硝工程化學技術監督的探索與實踐［J］.電力科技與環保，2013（29）：73-75.

武紀原（1983），女，江蘇連云港人，工程師，從事火電廠脫硫脫硝系統管理工作。

Influencing Factors on the Stable Operation of Denitration System on Coal-fired Power Plant

WU Jiyuan
（Jiangsu Xinhai Power Generation Co.Ltd.，Lianyungang 222023，China）

The stable operation of denitration system is helpful for keeping the exhausted nitrogen oxide under standard.This paper introduced the operating principle and main problems of the selective catalytic reduction system on the#1 unit of one power plant.Through analyzing influencing factors on stable operation of denitration system，measures were taken to ensure the stable working of denitration system，thus the exhausted nitrogen oxide can be under standard for a long period.

coal-fired；selective catalytic reduction；operation；stable operation

X773

B

1009-0665（2016）04-0095-03

2016-03-10；修回日期：2016-04-30