燃煤电厂SCR脱硝系统氨逃逸率控制技术研究

基于燃煤电厂选择性催化还原(SCR)脱硝原理,揭示氨逃逸的原因和对机组运行的危害。分析认为,影响SCR脱硝系统氨逃逸率的因素包括脱硝催化剂性能、烟气流场均匀性、锅炉运行方式、喷氨控制逻辑、仪器仪表及测量方式等。针对SCR系统氨逃逸率的影响因素,结合电厂机组实际运行情况,提出降低氨逃逸率的控制策略,可为国内燃煤电厂超低排放改造及SCR系统性能优化提供参考。

0 引言

随着环保标准的日益提高，燃煤电厂现有环保装置需要进行超低排放改造，要求在基准氧含量为6%的条件下，NOx排放质量浓度不高于50mg /m3( 标态) 。脱硝超低排放技术路线大多采用低氮燃烧器和选择性催化还原( SCR) 组合方式，脱硝效率和NH3逃逸率是衡量SCR脱硝系统的两个重要性能指标。电厂机组通过更换或增加催化剂层，实现较高的脱硝效率，满足NOx排放要求，同时控制氨逃逸率在3×10－6以下。

电厂实际运行过程十分复杂，难以达到排放指标时，往往通过增加喷氨量来提高脱硝效率，造成氨逃逸率超标。过量的逃逸氨和烟气中的SO3发生反应生成硫酸氢铵，导致空气预热器堵塞、除尘效率下降、催化剂受损等一系列问题，严重时还会影响机组运行，降低系统经济性和安全性。严格控制脱硝系统氨逃逸率已是燃煤机组运行不容忽视的问题。本文通过揭示脱硝系统氨逃逸形成原因、影响因素，探讨氨逃逸率控制技术方法，为国内燃煤电厂超低排放改造及实际机组运行提供参考。

1 氨逃逸的生成机理及危害

燃煤电厂SCＲ 脱硝反应器中，NH3选择性催化还原烟气中NOx的主要化学反应为:

4NH3 + 4NO + O2 = 4N2 + 6H2O， ( 1)

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O， ( 2)

4NH3 + 2NO2 + O2 = 3N2 + 6H2O， ( 3)

8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O。( 4)

烟气中90% ～ 95%的NOx以NO 形式存在，以上反应中以反应( 1) 为主。NO 与NH3的摩尔比为1∶1理论上讲1 mol 的NH3可以完全还原1 mol 的NO。实际运行中，受反应条件限制和副反应的影响，无法保证NO 完全脱除，所以SCR脱硝反应效率一般在95%左右。

燃煤烟气中含有一定质量浓度的SO2以及少量SO3，SO2在催化剂作用下进一步氧化生成SO3，SO3与NH3及水蒸气反应生成硫酸氢铵与硫酸铵。

通常条件下，硫酸氢铵的露点为147 ℃，其凝结物呈中度酸性且具有很大黏性，黏附在催化剂和空气预热器的换热元件表面上，加剧换热元件的腐蚀和堵灰，影响换热效果和锅炉效率，且飞灰中氨含量增大，湿法脱硫废水及空气预热器清洗水中氨含量也会相应增大。

硫酸氢铵形成温度随着NH3和SO3质量分数乘积的升高而升高，影响规律如图1所示。电厂锅炉空气预热器冷端运行温度一般低于硫酸氢铵的露点，加大了受热面堵塞和腐蚀风险。为保证机组安全稳定运行，必须严格控制SCＲ脱硝系统喷氨量及氨逃逸率。

2 影响氨逃逸率的主要因素

2.1 脱硝催化剂性能

脱硝催化剂活性是影响氨逃逸率的根本原因，烟气温度、含水率、氧含量、烟尘质量浓度等因素均会对催化剂活性产生影响。烟气中的碱金属、砷元素等容易引起催化剂中毒，催化剂长期运行中发生烧结堵塞、腐蚀、硫酸铵盐和飞灰沉积等，均会使其活性降低，导致未反应的氨量增加。随着脱硝效率的升高，氨逃逸率呈升高趋势，当脱硝效率高于设计值时，氨逃逸率大幅度增加，如图2所示。

随着运行时间的增加，催化剂活性下降，脱硝效率降低，要维持较高的脱硝效率和较低的NOx排放质量浓度，实际运行中往往需要提高氨氮摩尔比，势必会导致氨逃逸率急剧增加，进一步使催化剂活性降低，引发恶性循环。

2.2 流场均匀性

烟气流场均匀性是指SCＲ脱硝系统入口烟气来流均匀性及喷氨后氨氮混合均匀性。在烟道的转弯、收缩、扩张段，由于流动空间的改变，气流被迫改变运动方向，出现涡流，造成流动速度的分层和改变，导致烟气流场不均匀。运行过程中，导流板磨损、积灰、喷嘴堵塞、烟气流量超过设计值等因素也会导致流场不均，影响氨氮摩尔比分布。

流场和氨氮摩尔比分布不均匀会导致脱硝效率下降，且氨氮摩尔比分布偏差越大，对脱硝效率影响越大。当氨氮摩尔比不均匀时，在氨氮摩尔比减小的区域，脱硝效率下降，而氨氮摩尔比增大超过1的区域，脱硝效率并不能因此增大，从而使总的脱硝效率下降。尤其是在超低排放要求下，要求的脱销效率越高，氨氮摩尔比不均匀性的影响越明显，氨逃逸率增长趋势也越明显。由图3可见，当脱硝效率为92%时，当氨氮摩尔比偏差从2% 增加到12% 时，氨逃逸率从1.00 ×10－6增加到8.00 ×10-6。

2.3 锅炉运行方式

机组负荷、烟温、燃烧状况等运行参数对脱硝效率和氨逃逸率有明显影响。过高的燃尽风率或过高的氧含量可增加SCR入口NOx质量浓度，进而影响脱硝系统运行参数和氨逃逸率。一般认为，SCR反应器内烟温降低使催化剂活性下降，导致氨逃逸率增加，烟温不能长期低于SCR脱硝系统连续喷氨温度，否则将导致硫酸氢铵生成和催化剂失活。也有研究表明，机组低负荷运行时，烟气在催化剂层停留时间增加可削弱催化剂活性降低的影响，通过设定合适的脱硝效率，能够有效控制系统氨逃逸率。

2.4 喷氨控制系统

脱硝系统喷氨控制系统一般采用固定氨氮摩尔比或固定SCR出口NOx质量浓度的控制方式。固定氨氮摩尔比控制原理是依据脱硝效率，按照固定的氨氮摩尔比脱除烟气中NOx，其控制逻辑如图4 所示。固定SCR出口NOx质量浓度控制方法的主控制回路与固定氨氮摩尔比的控制方式基本相同，不同之处在于引入了反应器出口NOx质量浓度，脱硝效率根据反应器入口NOx质量浓度和反应器出口NOx质量浓度设定值计算获得，氨氮摩尔比是脱硝效率的函数。

编辑：李丹