330MW燃煤机组逃逸氨迁移转化特性研究

李小龙,郑成强,刘广祥,段玖祥,王新培,李军状,朱法华,刘国栋,张浩亮

(1.国能南京电力试验研究有限公司,江苏 南京 210023;2.国家能源集团科学技术研究院有限公司,江苏 南京 210023;3.国能龙源环保有限公司,北京 100039)

1 引言

截止2020年底，中国火电总装机容量约12.4亿kW，其中煤电约占86%，而88%的煤电机组已完成超低排放改造[1]。火电厂超低排放改造中[2]，大多使用选择性催化还原(SCR)或选择性非催化还原(SNCR)技术脱除烟气污染物NOx，其中以SCR脱硝为主，两种脱硝技术都要使用大量的还原剂氨。为了避免过量喷氨导致逃逸氨过大影响后续设备的安全稳定运行，设计上一般要求脱硝装置出口逃逸氨的浓度应控制在一定范围内。但实际情况是，由于烟气流场分布不均、设计缺陷、喷氨不均或运行经验欠缺等原因，导致脱硝装置后逃逸氨过量，影响后续设备的安全稳定运行已成为超低排放机组的普遍性问题[4-6]。钟洪玲等[7]测试14台超低排放机组脱硝出口逃逸氨情况，结果表明7台机组逃逸氨浓度超过设计值，最大逃逸氨浓度达到9.61 mg/m3。Yao等[8]对国内近300台不同装机容量的超低排放机组脱硝系统实际氨耗量与理论氨耗量进行统计和对比研究，发现实际氨耗量与理论氨耗量的比值即过喷率超过110%，且机组容量越小过喷率越高。其又研究了这些机组的空预器(AH)阻力情况，70%以上的机组AH阻力超过正常范围，超过20%的机组AH阻力大于2.0kPa，表明受逃逸氨影响堵塞情况严重。除了引起AH堵塞外，逃逸氨过量还会导致除尘器效率降低、脱硫浆液品质下降等问题：此外，逃逸氨大量释放入大气，也将危害生态环境。

针对逃逸氨过量带来的上述危害，开展相关究，厘清逃逸氨在锅炉尾部各设备中的迁移转化特性，对于进一步研究治理逃逸氨问题和制定相关排放政策均有积极意义。

2 试验部分

2.1 机组和采样位置

本研究以某电厂330 MW超低排放燃煤机组为研究对象，该机组配置国产引进型亚临界参数汽包炉,单炉膛、四角切圆燃烧，采用控制循环和一次中间再热。机组于2016年完成超低排放改造，改造技术路线为低氨燃烧器＋SCR脱硝（3层催化剂）＋ESP（5电场）＋WFGD（单塔双循环）＋WESP。

当机组90%和70%稳定负荷工况时，分别在图1所示的5个测点位置开展了烟气中气态氨和颗粒态氨（颗粒物中氨）的测试。

图1 测点位置示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling location

2.2 试验方法

参照 ISO 21877:2019[9]和 DL/T 260-2012[10]中的方法采集烟气中气态氨，采样系统如图2所示。SCR出口烟道位置采样时，加热采样枪和过滤器温度控制为260℃；空预器之后烟道位置采样时，加热采样枪和过滤器温度控制为120℃[11]。采样结束之后，需用少量吸收液冲洗导气管，洗液与采样吸收液合并后定容，然后用靛酚蓝分光光度法分析测定氨含量后计算气态氨的浓度。

在采集气态氨的同时，WFGD之前，按照标准GB/T 16157-1996[12]的方法采集颗粒物，然后依据标准DL/T 1494-2016[13]中的离子色谱法分析测定颗粒物中的氨含量，从而获得颗粒态氨的浓度。在WFGD之后，按照图2所示方法同时进行总氨测试[11]，根据总氨和气态氨的测试结果，计算得到颗粒态氨的浓度。总氨采样方法是烟气采样时不过滤不加热，恒流经过采样枪(内衬石英玻璃或PTFE管)和导气管后进入装有吸收液的吸收瓶。采样结束之后，用少量吸收液清洗导气管和内衬管内壁面，洗液与采样吸收液合并后定容，然后分析测定氨含量后计算总氨的浓度。每个测点位置完成3次平行测试，以3次平均值作为测试结果。靛酚蓝分光光度法分析测定溶液中氨和离子色谱法分析测定水中NH+4的检出限分别为0.01 mg/L和0.02 mg/L。本研究中气态氨和颗粒态氨的浓度均需折算到6% O2条件下后进行分析。

图2 烟气中氨采样系统流程图Fig.2 Sampling system diagram of ammonia in flue gas

3 结果与分析

3.1 烟气净化设施对逃逸氨的影响

3.1.1 SCR和AH的影响

由表1可知，本研究中机组在不同负荷工况下，SCR出口烟气中逃逸氨以气态氨为主，颗粒态氨含量为零。西安热工院[14]研究表明，SCR出口逃逸氨中颗粒态氨占比非常小仅为4.2%。由此可见，SCR出口烟气中的逃逸氨以气态氨为主。分析原因主要原因有两点，一是SCR系统的运行温度一般控制在300℃以上，该温度远高于气态氨与SO3反应生成硫酸氢铵（ABS）或硫酸铵的温度[15-16]；二是较高的烟温条件下气态氨较难被烟尘孔隙所吸附。此外，两种负荷下的逃逸氨浓度均超过了设计值（2.28 mg/m3），显然该机组脱硝系统喷氨均匀性较差，且高负荷下的逃逸氨浓度稍大于低负荷下的逃逸氨浓度，这可能与高负荷下烟气流速相对较快，流场均匀性较差，喷氨运行控制更难调整有关。

表1 各采样位置氨质量浓度Tab.1 Ammonia mass concentration at different sampling locations

从SCR出口到ESP入口，两种工况下，烟气中气态氨浓度均减少了90%以上，颗粒态氨浓度则大幅提高，总氨浓度也都减少了3%左右。这主要是由于烟气经过AH，烟温从300℃以上降低到140℃左右，而ABS的开始生成温度为230～270℃，硫酸铵的开始生成温度比ABS低40℃[15]，在此降温过程中，烟气中的大部分气态氨与SO3和H2O反应生成硫酸铵盐[17]转化为颗粒态氨。大部分硫酸铵盐与飞灰一起随烟气进入ESP，小部分硫酸铵盐由于ABS的强粘附性，粘附在AH低温段蓄热片表面，然后吸附飞灰沉积和板结[18]，这一累积过程致使空预器阻力逐渐上升。

3.1.2 ESP的影响

由表1可知，在两种不同工况下。ESP出口烟气中总氨浓度相比ESP人口均降低了91%左右，其中气态氨浓度减少了20.0%～42.9%，颗粒态氨浓度均减少了96.1%。因ESP入口总氨中颗粒态氨占比为91.7%～93.29%，而超低排放燃煤机组ESP的除尘效率较高[19]，一般都在99.5%以上，使得大量的颗粒态氨随飞灰一起被脱除，相应地烟气中总逃逸氨的浓度大幅下降。此外，尽管ESP入口烟气中的气态氨占总逃逸氨的比例仅为6.8%～8.3%，ESP依然脱除了少部分气态氨。一般而言，气态氨需要转化为颗粒态氨才能被ESP脱除部分。而ESP中气态氨转化为颗粒态氨有两种情况，一种是，ESP电场高压放电生成大量自由基，提高了SO2/SO3转化率[20]，再进一步促进SO3和NH3生成ABS或硫酸铵的反应；另一种是，烟气温度的降低使烟气在ESP中的停留时间得到延长，致使一部分气态氨分子被飞灰孔隙所吸附[21]。这两种情况均能促使气态氨向颗粒态氨的转化，从而提高总逃逸氨在ESP中的脱除效率。另外，高负荷工况下气态氨浓度降低幅度大于低负荷工况，这主要是因为，高负荷工况下锅炉排烟温度较高，使得相对多一些的气态氨未在AH中转化为颗粒态氨，进而延迟到ESP中转化。

3.1.3 WFGD和WESP的影响

燃煤机组WESP冲洗用水一般作为工艺水补充进入脱硫系统循环浆液，因此WESP中随冲洗水脱除的氨也一道进入脱硫浆液。故需将WFGD和WESP看作一个整体系统，研究烟气中氨在WFGD和WESP中的迁移转化情况。由前面分析可知，由于ESP脱除了大部分选逸氨，致使WFGD入口总氨浓度较低，两种工况下WFGD入口总氨浓度均保持在0.20mg/m3左右，虽然烟气继续经过了WFGD和WESP，但总氨的浓度仅降低了23.8%～25.0%，两种工况下差异不大，其中态氨的浓度减少了8.3%～16.7%，颗粒态氨的浓度减少了37.5%～44.4%。由试验结果显然可以看出，WFGD和WESP系统对颗粒态氨的脱除效果优于气态氨。但因除尘器之后气态氨和颗粒态氨浓度均较低，试验结果的误差和不确定性较大，比较两种形态氨的脱除效果意义不大。

进入WFGD的氨主要由于循环浆液的喷淋作用被捕集。进入WESP的氨中，部分气态氨溶解于烟气中的小液滴，一些小液滴或细小颗粒物与颗粒态氨碰撞凝并转化为较大粒径颗粒物[11]，然后在电场和冲洗水共同作用下，大部分颗粒物被WESP脱除，使得烟气中氨获得一定脱除效果。而WFGD和WESP脱除的氨均转化为循环浆液中的，并最终通过脱硫废水和石膏排出部分。

3.2 逃逸氨的迁移特性

两种负荷工况下，SCR出口逃逸氨在锅炉尾部烟道烟气净化设施中的迁移转化情况如图3所示。

图3 不同负荷工况下逃逸氨的迁移特性Fig.3 The migration law of escaping ammonia at different load

由图3可见，SCR出口烟气中逃逸氨的形态全部为气态氨，基本与现有部分文献报道的结果相一致[14,22]。经过AH的过程中，92.0%～93.4%的气态氨转化为颗粒态氨，此外，因ABS的强粘附性，占总逃逸氨2.6%～3.1%的颗粒态氨被AH冷端受热面所拦截。在ESP中，受烟气停留时间延长、烟温下降和电场的影响，又有占总逃逸氨1.3%～3.4%的气态氨转化为颗粒态氨。受益于ESP的高除尘效率，占总选逸氨85.4%～87.2%颗粒态氨被脱除。烟气经过WFCD和WESP，由于循环浆液的喷淋、WESP电场和冲洗水的作用，部分气态氨和颗粒态氨转移到浆液中，分别占总逃逸的0.4%～0.9%和1.3%～1.5%。进入浆液的氨以水溶性形式存在，最终通过脱硫废水和石膏排出一部分。若脱硫废水处理量较小，无法保证浆液中吸收和排出达到平衡，将导致浆液中浓度的累积增加，当浓度足够高时，一方面由于烟气夹带液滴的作用，可能会导致WFCD进出口颗粒态氨或总氨浓度出现倒挂的现象[23]，也可能进一步影响WFGD系统的高效稳定运行[24]。

经过上述多个烟气净化设施，两种工况下逃逸氨的最终排放情况相差不大，仅有6.1%～6.6%的氨经过烟囱排放进入大气环境，其中气态氨浓度稍高于颗粒态氨，它们占初始逃逸氨的比例分别为4.2%～4.4%和1.9%～2.2%。

4 结论

对某330 MW超低排放燃煤机组逃逸氨的迁移转化特性进行试验研究表明，刚离开SCR的逃逸氨全部为气态，烟气经过全流程净化设施的过程中，95%上的气态氨转化为以硫酸铵盐为主要成分的颗粒态氨或水溶性，且超过90%被烟气净化设施脱除、进入粉煤灰、浆液、脱硫废水和石膏，最终仅有6.1%～6.6%的逃逸氨以气态氨和颗粒态氨的形式排入大气。

烟气经过AH，随着烟温降低，90%以上的气态氨与SO3发生反应转化为硫酸铵盐即颗粒态氨。由于ABS的粘性，其中小部分颗粒态氨（约占逃逸氨3%）被AH冷端受热面拦截。烟气在ESP中，剩余气态氨中20.0%～42.9%继续转化为颗粒态氨，与之前转化的颗粒态氨一起被ESP脱除超过95%，致使85%以上的逃逸氨进入粉煤灰。烟气经过WFGD和WESP，WFGD入口气态氨的8.3%～16.7%和颗粒态氨的37.5%～44.4%迁移进人浆液成为，然后通过脱硫废水和石膏排出一部分。WFGD和WESP中，气态氨和颗粒态氨的浓度分别降低了8.3%～16.7%和37.5%～44.4%。