张冲
山东电力工程咨询院有限公司 济南 250000
摘要：选择性催化还原（SCR）脱硝技术因脱硝效率高且运行稳定可靠，而被广泛应用于燃煤电厂。在满足环保超低排放标准的前提下，本文着重从通过烟气流场测试、应用新技术提高尿素热解效率和优化脱销系统控制技术三个方面入手,对燃煤电厂脱硝系统进行优化。
关键词：SCR 脱硝效率 喷氨量 氨逃逸 尿素热解效率
首言
当前全球环境恶化和民众环保意识的增强，超低排放是燃煤电厂控制污染物排放的最有效手段。我国氮氧化物的排放指标由2011年的100mg/Nm3提高到50 mg/Nm3，特殊地区甚至到了10 mg/Nm3。根据《十三五节能减排综合工作方案》所定的目标，到2020年二氧化硫、氮氧化物的排放总量要比2015年均分别下降15%，因此燃煤锅炉排放控制成了大气污染防治的一个重要部分。中国的煤电烟气协同治理技术应用时间较短，超低排放的运行、维护和管理经验相对不足，在实际运行中存在着一些缺陷，尤其在SCR脱硝方面问题较多，如烟气流场均匀度不良、锅炉热量损失大、自动喷氨装置（AIG）喷氨分配不佳、回转式空预器漏风率增大、烟气在线监测（CEMS）数据代表性差、氨逃逸超标、空气预热器堵塞、催化剂磨损与中毒等，严重影响NOx排放浓度的控制和超低排放环保电价的获取，同时对机组安全、经济运行也产生了重大影响。
当前火电厂SCR系统采用较为成熟的整体催化剂技术，进入催化剂的流速、还原剂、温度的不均匀对SCR系统性能有极大的影响，特别是对于SCR系统，会造成脱销效率下降及催化剂寿命的缩短。因此SCR系统及其连接烟道内的流场调整优化及喷氨格栅的设计是SCR系统建造的一项必要工作。对于SCR反应器内复杂的流动现象，如催化剂入口截面速度场分布、风速流向、气体浓度分布，喷氨格栅前烟道截面速度场分布等，采用物理模拟与数值分析相结合的方法更能有效的指导工程实践。
一、喷氨量对机组的影响
目前火电厂煤粉锅炉产生的NOx主要来源于燃料型NOx和热力型NOx以及少量的快速性NOx。燃料型NOx为燃料中含有的氮的化合物在燃烧过程中热分解且氧化而产生的；热力型NOx指的是空气中的氮在高温下氧化产生的，其产生量主要取决于温度，低于1000℃几乎不生成，1000-1200℃少量生成，大于1400℃时，每增加100℃，反应速率增大6-7倍；根据NOx生成机理，控制NOx的技术主要包括燃烧时尽量避免NOx的生成技术和NOx生成后的烟气脱除技术。取钱SCR技术是应用最为广泛的烟气脱硝技术，尿素热解制NH3在工程实践中运用最多，因为尿素热解制NH3的过程可靠性高，且不易造成系统腐蚀而引起泄露，造成环境污染事故，安全性也较有保障。采用NH3作还原剂，烟气中NOx在经过SCR反应器时，在催化剂的作用下被还原成无害的N2和H2O。烟气中的NOx主要有NO和NO2，其中NO占95%左右，其余的是NO2。
脱硝反应过程如下图所示
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要实现高效率脱硝，尿素的高效热解和喷氨流量的控制至关重要。目前燃煤机组的尿素制NH3法一般采用锅炉空预器来的热一次风作为热解风源。百万机组低负荷下一般热一次风温在300℃以下，达不到尿素热解的温度要求，因此在热一次风离开空预器后，对热一次风通过设计电加热器进行二次加热，这种设计系统较为简便但是有个明显缺点是能耗过大，增加了尿素热解运行成本。以某1000MW机组为例，其电加热的功率大约在1200KW-1600KW，长期运行，其运行费用不可小视；另一缺点热一次风由于空预器不可避免的存在漏风现象，造成风中含有一定量的烟尘，极易形成中间副产物结晶核使得分解不完全造成后续管路的堵塞问题。同时若喷氨量超过需氨量，则NH3氧化等副反应的反应速率将增大，SO3大量生成，降低NOx的脱除效率，同时形成有害的副产品，即硫酸铵(NH4)2SO4和硫酸氢铵NH4HSO4，加剧对空气预热器换热元件的堵塞和腐蚀;若喷氨量小于需求量，则反应不充分，造成NOx排放超标，污染环境。氨过喷造成的氨逃逸率增加，成为目前电厂急需解决的关键技术问题之一。
氨逃逸的危害
1. 逃逸氨在空预器中会生成黏性的硫酸铵或硫酸氢铵，减小空预器流通截面，造成空预器堵灰。
SCR装置运行时，特别是在低温低负荷运行条件下，极易造成喷氨过量，过量的氨与烟气中的SO3生成NH4HSO4，在146℃～207℃温度区间， NH4HSO4是一种高黏性液态物质，易冷凝沉积在空预器换热元件表面，粘附烟气中的飞灰颗粒，堵塞换热元件通道，减小空预器内流通截面积，从而导致空预器阻力的增加，换热元件的效率降低等问题，导致排烟温度升高，锅炉效率降低。
2. 环境污染，氨逃逸率增大，排入大气的氨量和脱硫废水的氨含量均增加；当典型的2台1000MW超超临界机组共用一根烟囱的情况下，氨逃逸率超过0.85mg/Nm3后，烟囱排放处不满足恶臭气体排放标准。
3. 成本增加，供氨量增加、风机电耗增加、加重低温腐蚀。SCR脱硝装置氨逃逸率一般设计为≯3ppm，逃逸率超过设计值时将会造成大量的硫酸氢氨生成，致使空预器严重堵塞，这将造成吸风机电耗增加、一次风机母管压力波动大等情况。另外，燃用高硫煤时，烟气中SO3含量较高，只要烟气中有0.005％的SO3，烟气的露点即可提高到150℃以上。同时氨气和NOx反应产物为氮气和水，因此空预器的低温段就可能有硫酸溶液凝结在换热元件上，造成空预器的低温腐蚀。
二、解决方案
针对运行中的机组SCR一系列存在的问题可以通过烟气流场测试改造、应用新技术提高尿素热解效率和优化脱销系统控制技术尽可能的减少危害性。
1、烟气流场测试分析导流结构是否合理并提出相应优化建议，同时分析可能存在的积灰点，可有效减轻催化剂磨损、积灰。改善了脱硝催化剂入口烟气流场分布，均衡脱硝催化剂使用寿命。
催化剂磨损如下图所示
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1.1 流场测试
2、应用炉内气气换热器新技术，利用锅炉冷一次风自身的压头，将少量冷一次风或冷二次风（本项目采用冷一次风）送到锅炉尾部转向室低温过热器或低温再热器上部区域额，在这一区域布置若干蛇形管束（空气走管内，锅炉烟气走管外，空间占用较小），通过锅炉高温烟气加热蛇形管束，从而将冷一次风加热到尿素热解所需的温度，随后将高温空气引入SCR，为尿素热解提供优质、清洁热源。
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控制SCR出口温度在350℃左右，控制SCR的入口温度在450-650℃，从而满足尿素热解反应对热空气温度的需求，确保尿素充分溶解，并避免生成中间产物堵塞尿素热解系统，提高喷氨脱硝系统利用率。在燃料变化或锅炉低负荷工况下，为了确保气气换热器能满足尿素热解的最低温要求，在气气换热器出口管道上设置了小功率的辅助电加热器作为辅助热源，必要时候可启动辅助电热器，以满足尿素热解最低温度的需求。
3、优化脱硝控制系统，提高自动化程度，提高喷氨量精度，减少运行成本，降低硫酸氢铵（ABS）形成的风险。脱硝系统的控制方式一般分为效率控制模式和浓度控制模式。上述两种方式都需要根据出口浓度及脱硝效率，获得需氨量，氨气的喷入量通过现场调节门进行调节，喷氨量少会使脱硝效率过低，过多不但容易导致氨逃逸率上升造成尾部烟道积灰腐蚀，而且从经济性方面考虑也是一种浪费。通过喷氨格栅(AIG)喷氨优化调整试验，调整每路进氨支管手阀的开度，调整不同区域的喷氨量，最终达到喷氨均匀;对喷氨调节阀进行检修，并重新调试定位，使两侧阀门开度与流量特性尽量一致，并在分布式控制系统(DCS)中利用函数修正阀门特性。同时理论上SCR入口烟气量与机组负荷应该有一一对应关系，但生产实际中由于煤种的变化，漏风量的变化，运行人员操作习惯的不同，尤其在现在电网对机组快速响应的要求不断提高， SCR入口烟气量与机组负荷的对应关系在不断的发生变化。机组负荷保持不断的情况下，锅炉总风量还是存在比较大的变化。因此，利用SCR入口烟气量与机组负荷对应关系拟合烟气量曲线，并用实际总风量进行修正是一种比较接近机组运行中多变的实际情况的。一种比较简单的方案是用SCR入口烟气量与机组负荷对应关系拟合的烟气量曲线与实际烟气量(一般在DCS系统中都有相应的计算)进行加权计算。
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实践中对脱硝控制系统的优化，通过对SCR入口烟气量计算、NOx分析仪表数据配置、过程控制逻辑的优化，提高脱硝控制系统的调节品质及脱硝系统的稳定性是自动化控制的一个努力方向。
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