中試平臺SCR低溫催化劑測試與氨逃逸分布特征

趙瑞，張翼，余學海，史曉宏，劉毅，王鵬，韓濤

（神華國華（北京）電力研究院有限公司，北京 100084）

目前燃煤電廠NOx的排放必須滿足火電廠大氣污染物排放標準[1]的要求，一般情況下NOx出口濃度控制在50mg/m3（標準）以下，部分地區如京津冀，要求NOx達到更低的排放濃度。燃煤電廠廣泛采用選擇性催化還原法（SCR）技術，該技術是目前最主要的商業化應用脫硝技術之一[2]。隨著國內燃煤機組大規模的超低排放改造[3-4]，脫硝系統入口的NOx濃度值低于設計值，有時能達到150mg/m3（標準），甚至更低[5-6]。在同等脫硝效率的要求下，增加了對SCR脫硝系統氨逃逸控制的難度[7]，由此會造成SCR脫硝后局部氨逃逸現象。SCR脫硝系統的氨逃逸（過量的NH3）與煙氣中的SO3在低溫下反應生成硫酸氫銨[8]，硫酸氫銨的生成與氨逃逸濃度、SO3量、溫度、濕度等都有關系[9]，硫酸氫銨生成量的上升，導致其在空預器內的黏結，進而引起空預器堵塞[10]，影響機組穩定運行。因此，SCR脫硝系統一般將氨逃逸濃度控制在2.28mg/m3以下，甚至更低。有些機組為解決氨逃逸問題，正在開展精細化噴氨研究及改造[11]。

目前煤電機組的調峰作用進一步突顯[12]，低負荷運行的情況越來越多，這就要求燃煤機組低負荷時也能達標運行，而燃煤機組低負荷運行時，脫硝系統入口煙氣溫度會低于290℃，甚至出現更低溫度的情況。而目前常規的脫硝催化劑運行溫度為300～420℃、煙氣溫度低于290℃時[13]，脫硝系統強制退出，對環保產生不利的影響。目前國內學者研究了過渡金屬/稀土金屬對低溫催化劑活性的影響，同時開展制造工藝、催化劑形態等相關研究。整體而言，低溫催化劑的研究處于實驗室階段及工業驗證階段。為解決燃煤機組低溫段脫硝問題，國內科研院所[14-16]提出了一些解決辦法。采用適應于低溫段運行的催化劑依然是便捷的技術之一[17]，而實際煙氣條件下低溫段催化劑的運行研究數據較少，在全流程煙氣污染物中試平臺上的試驗數據，對低溫脫硝催化劑的基礎研究和工業化應用有良好的推動作用。本文對低溫段脫硝催化劑的整體性能進行測試，從脫硝催化劑本身的適應溫度出發，探討其在低溫段時的性能指標。一般來說，脫硝系統的脫硝效率與催化劑的運行溫度密切相關，氨逃逸濃度與催化劑的催化效率也有較大關系。采用在線測試和現場取樣分析結合的方式分析氨逃逸濃度情況，并研究沿程的氨逃逸分布降低情況，為機組進一步穩定運行提供數據支撐。探索脫硝系統投運溫度下限，實現機組在全負荷范圍內脫硝。

1 試驗所用中試平臺概況

脫硝催化劑的試驗依托國華三河電廠建設的中試平臺，該平臺擁有燃煤電廠尾部煙道的全流程煙氣污染物控制試驗系統，主要用于開展燃煤電站污染物近零排放控制技術集成研究。設計煙氣量為20000m3/h（標準），中試平臺所用煙氣是從國華三河電廠3號機組低溫省煤器出口抽取，煙氣經中試平臺試驗后回3號機組脫硫入口煙道。3號機組為一次中間再熱的亞臨界330MW機組，設計工況時省煤器出口煙氣量（BMCR）為2309964m3/h（標準），省煤器出口煙氣溫度（BMCR）為372℃。

中試平臺試驗流程包括：3號機低溫省煤器出口→脫硝前一級煙氣冷卻器→SCR系統→脫汞系統→脫硝后一級煙氣冷卻器→脫硝后二級煙氣冷卻器→低溫靜電除塵器→引風機→高效脫硫系統→高效除塵除霧裝置。

中試平臺的脫硝系統采用SCR技術，共可安裝三層試驗催化劑，目前只安裝兩層低溫段脫硝催化劑，每層模塊布置為1×2，所用催化劑為新開發的低溫段催化劑，添加了少量過渡金屬元素/稀土元素，催化劑基體仍為五氧化二釩，型式為蜂窩式。脫硝系統所用還原劑取自3號機組的母氨氣管道。設置一臺稀釋風機，通過靜態混合器混合后進入SCR反應器。中試平臺共設置3臺煙氣冷卻器，布置在脫硝前及脫硝后的水平煙道內，脫硝SCR反應器前的煙氣冷卻器用于調節脫硝SCR反應器入口的煙氣溫度，以達到試驗要求的溫度。中試平臺脫硝系統共安裝兩套測試系統，分別安裝在脫硝系統進出口煙道上，進口煙道上主要有NOx、O2、溫度、壓力、流量，出口煙道上有NOx、O2、溫度、壓力、氨逃逸，監測指標均進入集散控制系統（distributed control system，DCS）。

中試平臺同時設置一臺五電場低溫靜電除塵器，除塵效率＞99.9%，滿足出口粉塵濃度≤15mg/m3（標準）。脫硫吸收塔配置循環泵、漿液噴淋系統、攪拌系統和高效除塵除霧系統。

2 試驗測試方法

為測試中試平臺安裝脫硝催化劑的低溫段性能指標，通過調節脫硝前一級煙氣冷卻器，確保脫硝反應器入口煙氣溫度在290～250℃范圍內，分別測試煙氣溫度為290℃、275℃、260℃、250℃四個溫度時催化劑的性能指標。為全面測試催化劑的各項指標，綜合分析在線測試和手動取樣測試的數據[18]。中試平臺脫硝系統安裝有煙氣溫度、NOx濃度、煙氣量、脫硝效率、氧含量、壓力、氨逃逸、SO2濃度等在線測試儀表，試驗前對在線儀表進行校準，測試方法均按照規范要求進行。對氨逃逸濃度和SO2/SO3轉化率測試難度較大，采用現場手動取樣測試。

2.1 氨逃逸濃度手動取樣測試方法

煙氣中氨的采樣測試方法按照規范《DL/T260 2012燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》執行，煙氣恒定流速采樣，經過濾介質通過加熱至120℃的采樣槍，加熱是為了防止水汽凝結影響測試結果，進入兩級裝有稀硫酸溶液的吸收液，先后吸收煙氣中的氨，將兩級吸收液轉移至溶液瓶中，少量多次洗滌吸收瓶后定容備用，使用離子色譜分析儀分析其中的NH4+濃度，離子色譜檢測準確度高、靈敏度高[19]。

2.2 SO3手動測試方法

SO3現場采樣主要使用控制冷凝法。控制冷凝法如圖1所示，按照規范[20]要求執行，同時也參考國外JIS K103、EPA-8A等控制冷凝方法，測試主要步驟為：保持加熱采樣槍溫度在260℃及以上，恒定流速采樣（約10L/min），煙氣經加熱保溫及過濾后進入冷凝螺旋管，冷凝螺旋管水浴溫度維持在75～85℃。煙氣進入冷凝螺旋管后溫度降低，SO3與水汽凝結成亞微米的硫酸霧滴，硫酸霧滴由于離心力作用碰撞到冷凝管內壁而被收集。采樣后，用去離子水淋洗冷凝管及連接軟管，并將淋洗液定容，采取離子色譜法分析淋洗液中的SO2-4，并換算得到煙氣中SO3的濃度。

圖1 控制冷凝法采樣系統

2.3 主要測試儀器

手動采樣主要儀器為ES C-5000煙氣多污染采樣系統，瑞士萬通ECO-IC離子色譜儀。脫硝進出口在線儀表采用的日本富士分析儀M6900，采用非分散紅外法測量SO2、NOx。

2.4 測試點位設置

煙氣采樣試驗測試點位設置為圖2中A、B、C、D、E部位。SO2測試點位為A點；NH3的測試點位為B、C、D、E點；SO3的測試點位為A、B、C、D、E點；根據手工測得數據進行SO2/SO3轉化率以及氨逃逸濃度計算。

圖2 試驗測試點位示意

3 結果分析

3.1 催化劑性能分析

為驗證該催化劑在低溫段時的效果，在試驗期間，煙氣量為額定負荷煙氣量，基本維持在20000～25830m3/h（標準）之間波動，已達到中試平臺設計滿負荷。煙氣為三河電廠實際燃煤煙氣，脫硝入口NOx濃度范圍為125.00～203.50mg/m3（標準），見圖3～圖5。

圖3 中試平臺煙氣量及脫硝入口NOx濃度（250℃）

圖5 中試平臺煙氣量及脫硝入口NOx濃度（290℃）

結合在線儀表數據，分析脫硝系統入口NOx濃度、脫硝系統出口NOx濃度、脫硝效率及氨逃逸等數據，當催化劑在250℃運行時，脫硝效率及出口NOx濃度如圖4。在250℃低溫時，正常情況脫硝效率控制在80%左右，出口NOx濃度小于50mg/m3（標準），滿足燃煤機組低負荷低溫運行要求。

290℃時，煙氣量為額定負荷煙氣量，基本維持在20000～25830km3/h（標準）之間，脫硝入口NOx濃度范圍為125.00～180.45mg/m3（標準）。從圖5中看出，290℃時運行較為平穩。

從圖6中看出，該催化劑在290℃時脫硝效率可以在80%以上穩定運行，脫硝出口的NOx濃度基本小于30mg/m3（標準），運行良好，滿足京津冀地區環保指標要求。當出現脫硝效率低于80%的情況時，脫硝出口NOx濃度能在一定時間內滿足環保指標要求。

圖6 290℃時NOx進出口濃度及脫硝效率

3.2 脫硝溫度對氨逃逸影響

為進一步判斷低溫段250～290℃時催化劑的運行效果，對4個溫度進行測試，試驗結果分析如圖7。測試數據均表明，溫度較高時，氨逃逸濃度較高，溫度降低時，氨逃逸濃度有所降低，氨逃逸濃度與脫硝催化劑運行溫度密切相關。主要原因是在低溫段時易出現脫硝副產物硫酸氫氨的沉積，沉積溫度與氨濃度和SO3濃度相關。整體而言是溫度在250～260℃之間時易沉積，與已有文獻研究結論一致[21-22]。

圖7 脫硝入口溫度對氨逃逸濃度的影響

3.3 脫硝溫度對SO2/SO3轉化率影響

在不同溫度下取樣測試脫硝反應器進出口SO3濃度及脫硝反應器入口SO2濃度，計算不同溫度時的SO2/SO3轉化率，具體結果如圖8。隨著溫度的升高，SO2/SO3轉化率也有所升高，SO2/SO3轉化率與催化劑運行溫度密切相關，在290℃時，兩層催化劑SO2/SO3轉化率達到了0.73%，小于1%的要求。

圖8 SO2/SO3轉化率與催化劑溫度的關系

3.4 沿程氨逃逸濃度分布特征

為進一步分析氨逃逸濃度在煙道沿程的分布消減情況，在275℃時對脫硝后、除塵前、除塵后、脫硫后等點位進行取樣分析，發現氨逃逸濃度不斷降低。從圖9中可以看出，逃逸的氨在進入除塵器前，通過煙氣冷凝器的降溫，約減少32.2%的逃逸氨，最大可能為附著在煙道內，該部分逃逸氨對機組的安全穩定運行影響較大。

圖9 275℃時各檢測點位的氨逃逸濃度

從進入除塵器前到除塵后，除塵器出口的氨逃逸濃度降至0.5mg/m3（標準）以下，相比入口氨逃逸濃度降低約50.4%，與脫硝出口氨逃逸濃度相比，降低約66.5%，降幅明顯，說明在除塵的過程中，大量的逃逸氨隨著煙氣中的灰塵進入灰中。脫硫出口處氨逃逸濃度約為0.25mg/m3（標準）。

分別對250℃、260℃、290℃溫度在脫硝后、除塵前、除塵后三個點位進行氨逃逸濃度取樣檢測，鑒于275℃脫硫出口氨逃逸濃度值較低，其他溫度沒有在脫硫出口處測試氨逃逸濃度，測試值如圖10所示。不同溫度時，氨逃逸濃度隨著溫度的降低而降低，不同溫度降幅略有差別，脫硝后至除塵前降幅范圍為13%～55%，脫硝后至除塵后的整體降幅范圍為53%～75%。除塵后的氨逃逸濃度基本處于0.4～0.5mg/m3（標準）。

圖10 不同溫度下各測試點位的氨逃逸濃度

4 結論

（1）該低溫段催化劑在實際煙氣中可適應較低的運行溫度范圍，溫度范圍為250～290℃，運行時間超過4個月。

（2）在實際煙氣的中試平臺上，在設定的運行溫度范圍內，脫硝入口NOx濃度在100～300mg/m3（標準）范圍內波動，一般在120～200mg/m3（標準）之間時，脫硝效率維持在80%附近時，脫硝出口NOx濃度小于50mg/m3（標準），氨逃逸濃度最高為1.68mg/m3（標準），小于2.28mg/m3（標準），SO2/SO3轉化率為0.73%，均滿足環保要求。運行過程中隨著入口濃度的變化，脫硝效率也會有一定幅度的變化，一般不建議脫硝效率超過90%以上運行。

（3）在250～290℃運行范圍內，氨逃逸濃度隨著溫度而降低，當在250～260℃時，應重點關注硫酸氫氨的沉積。290℃時，經煙氣冷凝器降溫，氨逃逸濃度減少32.2%，這部分逃逸氨對機組的安全穩定運行影響較大；除塵器對逃逸氨的脫除作用較為明顯，相比入口氨逃逸濃度降低約50.4%，與脫硝出口氨逃逸濃度相比降低約66.5%。此部分逃逸氨最大可能隨著煙氣中的灰塵進入灰中。脫硫出口處氨逃逸濃度約為0.25mg/m3（標準）。