我国电站锅炉SCR脱硝系统服役过程中的运行规律
2014-04-14李德波廖永进徐齐胜
李德波， 廖永进， 徐齐胜
（广东电网公司电力科学研究院，广州 510080）
我国是以煤为主要一次能源的国家，煤炭占能源消费总量的60%以上，而发电煤耗量占煤炭消耗量的50%，并会在相当长的时期内保持这一趋势.2005年我国氮氧化物（NOx）排放总量为19.1×106t，我国大气环境中的NOx质量浓度远远高于其他国家和地区，其中电厂的贡献率为43%.可见燃煤发电是我国大气污染物氮氧化物的主要来源之一［1－9］.从“十二五”规划开始，我国政府高度重视氮氧化物排放的控制工作，2011年7月国家环境保护部发布了GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，其中规定氮氧化物排放限值从450 mg/m3降至100 mg/m3（新建机组）和200 mg/m3（在役机组）.2011年3月十一届全国人大四次会议表决通过了《我国国民经济和社会发展十二五规划纲要》，明确提出“十二五”氮氧化物减排10%的约束性指标，可见氮氧化物排放的控制工作势在必行［1－9］.
从国内外技术的应用现状及氮氧化物排放控制政策来看，随着氮氧化物排放限制日趋严格，烟气脱硝技术将会被普遍应用.在所有的烟气脱硝技术中，选择性非催化还原（SNCR）工艺尽管费用低、设备少，但由于脱硝效率有限，已很难在火电机组尤其是大型火电机组上大规模应用.选择性催化还原（SCR）技术脱硝效率最高，可以满足各种严格的排放要求，到目前为止，全世界已有装机容量超过200 GW的燃煤电站机组上应用了SCR脱硝技术.由于我国目前的氮氧化物排放要求已达到世界先进水平，因此SCR脱硝技术必将成为烟气脱硝技术的主流［1－9］.
笔者针对多家不同机组大小（125～1 000 MW）、不同服役时间（0～5年）、不同厂家的SCR脱硝系统进行了入口和出口烟气温度、流速分布、烟气体积分数、脱硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3转化率以及系统阻力等性能参数的现场试验，掌握了火电厂投运SCR脱硝系统后对机组性能的影响规律.研究结果为实现SCR反应器浓度场的均匀分布、提高系统脱硝效率以及避免设备的堵塞和腐蚀具有重要的指导意义和工程应用价值.
1 SCR脱硝系统现场性能试验主要内容
SCR脱硝系统现场性能试验一般包括以下内容：（1）脱硝效率试验；（2）NOx体积分数测试；（3）氨逃逸率测试；（4）SO2/SO3转化率测试；（5）系统压降测试；（6）噪声测试；（7）相关能源消耗（如还原剂消耗、水耗、电耗和汽耗等）的测试；（8）烟气温降测试.其中，最重要的测试参数包括 NOx、O2、NH3和SO3体积分数的测量.
2 SCR脱硝系统现场性能试验方法
2.1 NO x和O2体积分数的测量
现场试验中NOx体积分数的测量仪器为红外NOx分析仪，O2体积分数的测量仪器通常为顺磁氧量计.由于SCR反应器的面积很大，需采用如图1所示的自动测量系统.
通过对NOx和O2体积分数的同时测量，将NOx体积分数的数据换算为φ（O2）＝6%基准时的数据.
2.2 NH3体积分数的测量
现场试验中NH3体积分数的测量采用EPA method CTM 027标准中的方法，采样系统如图2所示.
图1 自动测量系统示意图Fig.1 Experimental setup for measurement of NO x and O2 concentration
图2 氨逃逸率测量采样系统示意图Fig.2 Experimental setup for measurement of NH3 concentration
3 试验结果分析及讨论
3.1 入口烟温分布
通过现场性能试验发现，入口烟温偏差较小，如图3所示.其中，A、B、C 3个电厂催化剂服役时间均为20 000 h.由图3可以看出，A、B、C 3个电厂A、B反应器入口烟温偏差均在2%以内.从试验数据得到3个电厂入口烟气温度均在350～365℃内，处于催化剂最佳活性温度区，有利于NO的脱除.
图3 反应器入口烟温偏差Fig.3 Deviation of flue gas temperature at reactor inlet
3.2 入口流速分布
通过现场性能试验发现，入口流速的相对偏差普遍较大，如图4所示.导致反应器入口流速相对偏差较大的主要原因是导流板布置不合理.
图4 反应器入口流速相对偏差Fig.4 Relative deviation of velocity at reactor inlet
3.3 入口NO体积分数分布
通过现场性能试验发现，入口NO体积分数相对偏差较小，并随着服役时间的延长基本不变，如图5所示.
图5 反应器入口NO体积分数相对偏差Fig.5 Relative deviation of inlet NO concentration
3.4 出口NO体积分数分布
通过现场性能试验发现，当SCR脱硝系统投运22 000 h后，SCR反应器出口NO体积分数相对偏差普遍较大，如图6所示.对比3个电厂SCR反应器出口NO体积分数相对偏差可以看出，随着催化剂服役时间的延长，出口NO体积分数相对偏差增大，其中C电厂A反应器出口NO体积分数相对偏差达到32%左右.造成这一现象的主要原因是随着服役时间的延长，催化剂的活性不断下降.由于烟道内不同几何位置的催化剂失活情况不同，导致反应器中各个位置的脱硝效率也不一致，因此出口NO体积分数的相对偏差较大.C电厂催化剂服役时间最长，反应器中各处催化剂活性下降的差别更加明显，导致其出口NO体积分数相对偏差最大.
图6 反应器出口NO体积分数相对偏差Fig.6 Relative deviation of outlet NO concentration
3.5 入口流速相对偏差与出口NO体积分数相对偏差的关系
图7给出了A电厂1号和2号机组的SCR反应器入口流速相对偏差和出口NO体积分数相对偏差的相关性.由图7可以看出，出口NO体积分数相对偏差与入口流速相对偏差呈明显正相关关系.造成这一现象的主要原因是入口流速分布的不均匀导致反应器各部分NO脱除效率不均匀，从而导致其出口NO体积分数分布也不均匀.
图7 反应器入口流速相对偏差与出口NO体积分数相对偏差的相关性Fig.7 Correlation between relative deviation of inlet flow velocity and of outlet NO concentration
3.6 出口NO体积分数相对偏差与脱硝效率的关系
图8给出了C电厂5号机组SCR反应器出口NO体积分数相对偏差随脱硝效率的变化.由图8可以看出，随着脱硝效率的提高，出口NO体积分数相对偏差明显增大.当增加喷氨量提高脱硝效率时，催化剂层截面上各处催化剂脱硝效率随氨氮物质的量比增大而升高的速率相差很大，从而导致出口NO体积分数相对偏差进一步增大.
图8 反应器出口NO体积分数相对偏差随脱硝效率的变化Fig.8 Change of relative deviation of outlet NO concentration with denitrification efficiency
3.7 氨逃逸率与脱硝效率的关系
图9给出了C电厂5号机组SCR反应器出口氨逃逸率与脱硝效率的关系.由图9可以看出，随着脱硝效率的提高，出口氨逃逸率明显提高，并超过6.15 mg/m3限值.这是因为随着服役时间的延长，烟气的冲刷磨蚀、玷污堵塞和碱金属中毒等会使催化剂活性成分流失或中毒、活性降低、体积损失以及反应表面积减小，从而导致其脱硝能力下降.强行增加喷氨量提高脱硝效率时，会导致氨逃逸率急剧升高.氨逃逸率是脱硝反应需要考虑的一个重要参数，因为泄漏的氨会与被催化剂氧化生成的SO3反应生成硫酸氢铵，这些物质在催化剂表面沉积，并在催化剂反应器下游的空气预热器和管道上沉积造成堵塞、腐蚀和压降升高等问题.因此，对于服役时间比较长、氨逃逸率超标的脱硝系统，需要在大小检修和停机的过程中及时进行催化剂的添加、更新和再生，以提高系统脱硝效率并保证氨逃逸率在设计范围内.从图9可以看出，C电厂5号机组脱硝效率达到0.8时，氨逃逸率达到14.35 mg/m3，远超过设定的6.15 mg/m3的限值，需要对该机组脱硝系统的催化剂及时进行添加和更换.
图9 反应器出口氨逃逸率随脱硝效率的变化Fig.9 Change of ammonia escape rate at reactor outlet with denitrification efficiency
4 结 论
（1）反应器入口NO体积分数和温度分布均匀，相对偏差不随服役时间的延长而增大.但反应器出口NO体积分数和入口流速分布不均匀，入口流速相对偏差与出口NO体积分数相对偏差呈明显正相关.
（2）随着服役时间的延长，催化剂的玷污堵塞、磨蚀和中毒等均会造成催化剂活性下降、反应表面积减小.系统脱硝能力下降日益成为影响系统脱硝性能的主要因素.
（3）催化剂的老化和磨蚀会明显加大高脱硝效率下反应器出口NO体积分数分布的不均匀性和提高氨逃逸率，而由于检测设备的不可靠，进一步增大了后续设备安全运行的风险.
（4）流场分布不均和催化剂老化是影响我国电站锅炉SCR系统性能的关键问题.
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