低负荷SCR脱硝系统的运行控制策略

朱宇翔

(上海申欣环保实业有限公司，上海200233)

低负荷SCR脱硝系统的运行控制策略

朱宇翔

(上海申欣环保实业有限公司，上海200233)

分析SCR脱硝系统最低运行烟温的影响因素，烟气中SO3、NH3的含量是影响SCR脱硝系统最低运行温度的关键因素。根据影响因素的变化制定低负荷SCR脱硝系统的动态运行策略，提高SCR脱硝系统的投运率。

影响因素;最低运行温度;动态运行策略;投运率

0 引言

目前，我国的环境形势依然严峻，以煤为主的能源结构导致大气污染物排放总量居高不下，潜在的环境问题不断显现。NOx是大气治理的主要减排对象，其中电力行业的NOx排放约占全国NOx排放总量的一半以上，而电力行业排放的NOx80%以上由电站燃煤锅炉排放。我国新颁布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223－2011)，明确规定新建燃煤火力发电锅炉NOx(以NO2计)排放浓度必须低于100mg/m3，降低NOx排放的任务紧迫。

燃煤火电厂通过炉内低氮燃烧技术结合炉后的烟气脱硝系统改造以满足新标准要求。目前炉后控制NOx最成熟的技术是选择性催化还原(SCR)技术，在我国烟气脱硝技术中占有重要地位。由于国内燃煤机组都参与调峰，经常低负荷运行，SCR反应器入口烟温低于催化剂的最佳反应温度窗口，造成低负荷时SCR脱硝系统不能正常投用，低负荷运行时仅通过低氮燃烧技术难以达到NOx排放的要求。通过增设省煤器烟气旁路，省煤器给水旁路，高压加热器，省煤器分级设置等设备改造提高低负荷时SCR反应器的进口温度，从而确保SCR脱硝系统的正常投运来满足NOx排放达标是目前解决问题的途径之一。本文的目的旨在通过分析SCR脱硝系统最低连续运行温度的影响因素，在未进行设备改造来提高SCR反应器入口温度的前提下，通过运行策略的调整来提高低负荷时SCR脱硝系统的投运率，从而确保NOx达标排放。

1 低负荷运行对SCR脱硝系统的影响

1.1 SCR脱硝技术的原理［1］

SCR脱硝技术是通过催化剂在含氧气氛下，以氨气作为还原剂注入含NOx的烟气中，烟气中的NOx被氨气还原成N2和水，SCR反应器中的烟气温度一般设计要求为320℃～420℃之间，因为当烟气温度位于340℃～380℃之间时，催化剂活性物的活性最高，催化还原反应效率最高。锅炉省煤器后空预器前的烟气温度正好满足此温度区间，这也是SCR布置在该位置的原因。

1.2 低负荷运行对SCR脱硝系统的影响［2－3］

燃煤机组调峰运行时，常常会维持在机组的40%负荷左右，此时省煤器的出口烟温会低于最低设计温度，当烟气温度低于最低设计温度(320℃)时，用于反应的NH3会和烟气中的SO3反应易生成硫酸铵和硫酸氢铵并析出，此时铵盐会对催化剂活性物微孔进行堵塞和加速对催化剂的磨损，降低催化剂的活性;同时硫酸氢铵会粘附在空预器的冷端并且会粘住大量烟气中的飞灰造成空预器堵塞［4］。综上所述，当进入SCR反应器中的烟气温度低于设计温度时，SCR脱硝系统须退出运行。

2 SCR脱硝系统最低运行温度的影响因素

2.1 低温下的副反应及危害

SCR烟气脱硝系统，在催化剂作用下，将NOx还原为N2和水的同时，也会伴随着少量SO2被催化氧化成SO3化学副反应。SO3与未反应逃逸的NH3在合适的温度窗口反应生成硫酸氢铵和硫酸铵［5］。硫酸氢铵和硫酸铵将堵塞催化剂，引起催化剂活性降低，硫酸氢铵和硫酸铵还将随烟气进入下游设备，与飞灰沉积在预热器或脱硫GGH换热元件表面，引起积灰、堵塞和腐蚀。

2.2 SCR脱硝系统最低运行温度的影响因素

硫酸氢铵和硫酸铵是SCR烟气脱硝中不希望的副产物，生成析出的条件取决于烟气中的SO3的生成量、未参加SCR脱硝反应的NH3的量、烟气中含湿量，发生反应的温度窗口［6］。温度窗口决定了SCR脱硝系统的运行温度范围。当SO3的生成量及未参加SCR脱硝反应的NH3的量无穷小则SCR脱硝系统的运行温度范围就趋向大。

当催化剂的性能稳定，燃烧工况可控，SCR反应器的进口NOx浓度在设计范围之内，SCR反应器的喷氨量也在控制范围，氨逃逸量小于3μL/L(烟气的含湿量一般变化很小)，则SCR脱硝系统的最低运行温度范围主要影响因素取决于烟气中的SO3含量，据SO3/H2O与硫酸氢铵/硫酸铵形成温度关系曲线及相关公式分别计算得到煤燃烧过程中不同SO3含量对SCR烟气脱硝最低运行温度的影响，计算表明，煤燃烧过程中不同的SO3量对SCR烟气脱硝的最低运行温度影响大，最低连续运行温度变化幅度为50℃。

通过反应机理的分析可以得知SCR烟气脱硝中最低喷氨温度主要取决于烟气中SO3、H2O和NH3的浓度。对于燃油机组，一般硫含量较高且油中含有少量V2O5，燃烧过程中SO2/SO3转化率相对比煤高，转化率按2.0%～5.0%考虑，则SCR烟气脱硝最低运行温度范围为320℃～335℃。对于燃煤机组锅炉SCR烟气脱硝装置，如果在实际运行中可能存在几个小时在最低运行温度以下喷氨运行的情况。为消除硫酸氢铵/硫酸铵对催化剂的影响，之后必须在高于MOT温度，一般宜在高于350℃或更高的温度下连续运行1周以上，以便使催化剂表面及微孔中形成的硫酸氢铵/硫酸铵分解掉，从而消除铵盐对催化剂活性的影响。

2.3 控制降低SCR脱硝系统最低运行温度的方法

控制SO3的量，其措施主要有控制烟气中的SO2/SO3绝对量和SCR烟气脱硝的SO2/SO3转化率。SO3量的控制可以采用下述方法:一是选用低硫燃料;二是使用低活性组分、低氧化性能的SCR催化剂，可通过降低催化剂中的活性组分V2O5含量，降低氧化性能，以控制更低的SO2/SO3转化率。SCR烟气脱硝催化剂材料的表面是多孔渗透的，孔的直径大约0.01μm。NH3在催化剂的表面被吸附进入材料，在递减的温度和SO3存在的条件下，硫酸氢铵/硫酸铵开始形成并吸附着在催化剂表面，催化剂孔被堵塞，催化剂将失去活性。反应过程的速度取决于烟气中SO2与SO3的浓度、安装的催化剂体积、催化剂材料和运行温度。

减少未参加反应的NH3是减少硫酸氢铵/硫酸铵盐形成的最常用的方法，可以通过将SCR反应器入口的NH3/NOx的摩尔比降低到0.8～0.9同时使用足够的催化剂来实现。

3 低负荷SCR脱硝系统投运率提高的策略

3.1 设备改造

SCR反应器中的烟气温度一般设计要求为320～420℃之间，这就有一定的局限性，当机组在低负荷运行时，SCR反应器中的烟气温度很难达到320℃，这就导致脱硝系统不能投运。但随着环保要求的日益提高，需要全天候的脱硝，此时就需要对SCR脱硝技术进行升级，全负荷SCR技术应运而生。全负荷SCR脱硝技术一般分为两类:一是催化剂改造为低温催化剂，使得催化剂能够满足低负荷时烟气温度的运行要求［9］;二是提高进入SCR烟气的温度，控制机组在任意负荷下反应器中烟气温度均在320～420℃之间。

目前，低温催化剂技术尚处在实验室研究阶段，未能实现工程应用。采用低负荷时提高烟气温度的方法，改造方案主要有以下几种:(1)增加省煤器烟气旁路;(2)增加省煤器工质旁路;(3)省煤器采取分组布置;(4)低负荷时提高给水的温度。

一般情况下，通过采取以上的改造措施可以确保SCR烟气脱硝系统全负荷的投用，但同时也增加了投资费用。风烟系统及热力系统也相对复杂，增加了操作的风险(见表1)。

表1 四种全负荷SCR脱硝系统改造方案对比［10］

3.2 运行策略的调整

根据SCR最低运行温度的形成机理和影响因素，低负荷运行时可通过运行方式的调整来提高SCR脱硝系统的投运率。主要包括以下内容:

(1)燃烧调整。低负荷时进一步降O2燃烧，控制燃烧氧量。停用燃烧器的顺序进行调整，尽可能的保持中、上层燃烧器运行，同时调整燃烧器的摆角，力求火焰中心上移，从而提高省煤器的出口烟温即SCR反应器入口温度，同时尽量降低SCR脱硝反应器入口的NOx的浓度，从而间接减少SCR脱硝系统的喷氨量，降低氨逃逸量。

(2)SCR脱硝系统最低运行温度的调整设置。通过试验测定SO2/SO3转化率，根据燃煤硫分及时计算并调整SCR脱硝系统最低运行温度，使系统在低负荷时尽可能的投运。在确保NOx排放达标的前提下，根据SCR脱硝反应器进口NOx浓度适当下调脱硝系统控制效率降低喷氨量并控制氨逃逸量来保证脱硝系统的安全运行。使用动态的投运策略，根据烟气的的含硫量调整SCR脱硝系统的最低运行温度范围，在不进行设备改造的前提下提高SCR脱硝系统的投运率，从而确保NOx的达标排放。

3.3 应用实例

某发电厂2×900MW机组分别于2012年12月与2013年6月先后进行脱硝改造，在其超临界的塔式锅炉的省煤器与空预器之间加装SCR脱硝反应器，采用Babcock－Hitachik.K.的催化剂，系统设计烟气处理量2621700m3/h，设计脱硝效率80%，SO2/SO3转化率≤1%。

脱硝系统改造完成后运行稳定，脱硝系统运行时效率达到80%，但由于机组晚间参与调峰，低谷期间机组减负荷后，SCR反应器进口烟温会暂时低于设计最低连续运行温度320℃，致使SCR脱硝系统无法投用，该时段的NOx排放超标。脱硝系统投运率基本维持在80%～85%。为了尽快解决问题，采取SCR脱硝系统动态投用的运行策略。根据燃煤的硫分变化并定期对SCR脱硝系统进行SO2/SO3转化率测定，检查催化剂的性能，重新校核SCR脱硝系统最低连续运行温度。对SCR脱硝系统烟温保护值加设SP值设定模块，由运行人员根据当前燃烧工况和SCR最低连续温度计算表来设定脱硝系统运行时的烟温保护设定值。通过采取措施，配合燃烧调整，脱硝投运率达到100%。

4 结语

SCR烟气脱硝系统的最低连续运行温度与烟气中SO3的含量以及未参加SCR脱硝反应的NH3量存在一定函数关系。根据燃煤硫分，SO2/SO3转化率及燃烧调整，动态的调整控制SCR脱硝系统在锅炉低负荷时的投运率，确保NOx的排放达标是一种切实可行的方法。

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Operational strategy of SCR denritication system under low load

Content of SO3，NH3among gas are two main influencing factors of the MOT(the Minimum Operational Temperature)about SCR(Selective Catalyst Reduction)denritication system.It is a way for improving operational percentage of SCR denritication system that make dynamic operational strategy based on variation of influencing factors.

influencing factor;MOT;dynamic operational strategy;operational percentage

X701.7

B

1674－8069(2016)03－046－03

2015-11-21;

2016-01-20

朱宇翔(1972-)，男，上海人，硕士，工程师，主要从事脱硫脱硝工程的建设、调试及运营维护技术工作。E－mail:zhuyiren72@sina.com.