火电厂脱硝性能试验分析

杨青山，谭建坤

(1.广州宇阳电力科技有限公司，广东 广州 510600;2.广东电力科学研究院，广东 广州 510600)

0 引言

随着环境污染的日益严重，人们已认识到氮氧化物(NOx)是引起酸雨、酸雾、光化学烟雾、臭氧损耗等一系列问题的主要污染物之一，其对生态环境和人体健康造成了巨大危害，如何有效消除NOx已成为目前环境保护的重要课题。95%以上的NOx主要源于2个方面:约49%来自移动物体(如机动车)，约46%来自固定物(如发电厂)。

为了保护人们赖以生存的自然环境，世界各国对NOx的排放标准进行了严格限制，并进行了大量关于去除 NOx的研究。目前，选择性催化还原(SCR)技术以其成熟的技术工艺和稳定的脱硝效率在国外火电厂中得到了较广泛的应用，国内部分电厂也已开始应用。

在关注SCR脱硝装置整体脱硝效率的同时，所采用催化剂的运行状态、磨损程度和对系统经济性的影响等也应加以重视，而目前国内电厂SCR的运行经验并不丰富。为考察SCR脱硝装置(特别是新安装的SCR脱硝装置)的运行状态，需要定期进行系统考核试验。

1 测试项目

1.1 烟气的温度分布

烟道内烟气温度的分布是否均匀，直接影响系统的脱硝率和SCR脱硝装置催化剂层的使用性能。良好的烟气温度分布有利于催化剂层均匀受热，可提高催化剂层的使用率、减小催化剂层的形变。而当烟气温度分布十分不均匀时，处于高温区域的催化剂层易发生烧结，使催化剂受损;处于低温区域的催化剂层则难以达到催化反应温度(或反应速率很慢)，使催化剂的催化效率降低，进而使氨逃逸量增大。烟气温度过低及氨逃逸量的增大会导致生成更多的硫酸氢氨，长期这样运行将造成锅炉空气预热器的堵塞和腐蚀。

1.2 烟气的流速分布

烟气的流速分布也是影响催化剂运行性能的重要因素之一。由于目前电厂的SCR脱硝装置大多设置在锅炉的省煤器和空气预热器之间，烟气含尘量较高，因此，当局部烟气流速较高时，对催化剂的磨损较大，通过相应区域催化剂的烟气量也较大，使该区域催化剂层的催化反应能力受到限制;反之，当局部烟气流速较低时，会加快飞灰在催化剂表面的沉积，降低催化剂的性能。较好的烟气流速分布能保证烟气较均匀地通过催化剂层，使催化剂的性能达到最优。此外，烟气的流速分布会影响催化剂出口NOx和NH3的浓度分布，给系统的经济、稳定运行带来危害。

1.3 烟气中NO的分布

SCR反应器入口和出口的NO及O2浓度，是计算实际脱硝率的重要数据，通过计算得到的脱硝率又可以判断现场测量仪表和分散控制系统(DCS)显示值的准确度。由于SCR反应器出口烟气中NO的分布与系统的烟气流速分布、氨喷射状态、催化剂的性能等有直接关系，故NO含量测量的准确性显得尤为重要。

1.4 氨逃逸的测量

对SCR反应器出口氨逃逸量进行测量，是为了考察氨喷射系统的运行状况，同时为合理调整氨的喷射量、提高系统的经济性做指导。此外，通过氨逃逸量的测量，可粗略计算出系统的脱硝率，并可作为检测NO含量测量准确性的手段之一。

1.5 SO2/SO3转化率的测量

通过测量入口SO2和SO3的浓度以及出口SO3的浓度，很容易计算出SO2/SO3的转化率，它是考核催化剂选择性催化能力的重要指标。

1.6 影响系统压力损失的因素

系统压力损失受机组负荷、催化剂层堵灰情况等的影响。

2 测量方法

一般采用网格法测量SCR反应器的烟气温度、流速及NO的分布情况，即在现有测孔条件下，对每个测孔再进行多个点的测量。常采用的测量仪表有热电偶、微压计和NOx分析仪。

氨逃逸的测量在SCR装置出口处进行，常用采样系统如图1所示，使用分光光度法即可分析样品中NH3的含量。

图1 氨逃逸测量取样系统示意

SO2含量的测量一般采用代表点法，在SCR装置入口进行测量，测量仪器为SO2分析仪。SO3含量的测量也采用在SCR装置入口和出口用代表点法进行取样，取得的样品使用分光光度法分析其中的SO3含量。试验取样系统如图2所示。

图2 三氧化硫测量取样系统示意

在SCR反应器入口和出口的烟道横截面积变化可以忽略不计时，SCR反应器系统的压力损失通过测量烟道静压就可得到。

3 试验误差分析

由于烟气的温度分布、流速分布、NO分布和系统压力损失均使用精准的仪表进行网格法测量，误差相对较小，因此，只针对在氨逃逸和三氧化硫取样分析过程中存在的误差进行分析。

3.1 取样枪的影响

取样枪主要由过滤头、枪体和加热设备组成。

过滤头对试验测量结果的主要影响:为防止飞灰随取样气体进入取样瓶内，过滤头内需填充物理、化学性质都比较稳定且耐高温的材料(常采用石英棉)，但填充物的多少直接影响取样枪头的严密性。当填充物过多时，过滤头的空隙紧密，飞灰在填充物表面聚集后会堵塞取样枪头，使枪体内负压快速升高，烟气取样效率降低，甚至难以进行取样，而枪体负压过高也易使外部空气通过连接头进入采样系统，从而增大试验误差;当填充物较少时，飞灰易随烟气进入取样瓶，飞灰自身携带的NH3或SO3也会随之进入，从而使烟气中NH3或SO3含量的测量结果偏大。

枪体对试验测量结果的主要影响:枪体内应能达到烟气无凝结或无析出物的温度以上且尽量缩小其与烟道内烟气的温差，防止因烟气中的NH3或SO3附着于析出物上(停留于枪体内)而增大测量误差，烟气加热温度一般设置在300℃以上;此外，由于取样过程中要测量取样的烟气量，烟道内的压力又为负压，因此，枪体内的空气在一定程度上减小了实际烟气的取样量。为减小此测量误差，应尽量缩小取样枪的枪体体积并增大烟气取样量或进行预抽气。预抽气是在烟气通过吸收瓶前先用取样枪对烟道进行抽气，去除枪体内的空气，此过程还有利于NH3或SO3在枪体内预先达到吸附平衡，使取样烟气中的NH3或SO3能够更多通过吸收瓶，进一步减小试验误差。

此外，取样枪尾部与吸收瓶的连接管应尽量短，防止烟气中的水分携带NH3或SO3在连接管内凝结析出而增大试验误差。

3.2 吸收液的影响

在氨逃逸测量过程中，一般采用稀硫酸溶液进行二级吸收。稀硫酸溶液的浓度应根据实际烟气中的NH3含量、取样烟气量和吸收液用量来确定。当吸收瓶容积为250mL时，每瓶的吸收液用量在60～80 mL为宜。在该用量及正常喷氨运行工况下，稀硫酸溶液摩尔浓度为0.05 mol/L即可满足试验要求。以每瓶装60 mL摩尔浓度为0.05 mol/L的稀硫酸溶液、取样烟气量为300 L计，2个吸收瓶内的吸收液共可实现对烟气中摩尔分数在0～1.8‰之间NH3的吸收。

3.3 吸收装置的影响

在SO3取样测量过程中，吸收装置采用的是干燥、洁净的蛇形管，并将其放在水浴锅内，水浴锅温度设置在60～65℃(方法参见GB/T 21508—2008《燃煤烟气脱硫设备性能测试方法》)。由于SO3具有强氧化性，遇水会发生反应并放出大量热，遇浓硫酸会生成发烟硫酸等特殊性质，因此，取样时蛇形管不洁净(特别是含有能与SO3反应的物质)或含有水分，会造成SO3取样的损失。

3.4 抽气速度的影响

根据双膜理论，气、液接触反应首先要经历气相中的吸收质通过相际传递到液相的过程，即使流体的主体中已呈湍流，气、液相际两侧仍分别存在稳定的气体滞流层(气膜)和液体滞流层(液膜)。因此，气、液反应效率受气、液接触时间的限制，气、液接触时间越长，反应越充分，反之越不充分。在对NH3取样的试验过程中，抽气泵的抽气速度直接影响气、液接触时间，进而影响试验的准确性。在SO3取样过程中，抽气速度过快则会降低SO3在蛇形瓶内的停留时间，使其难以充分凝结析出。

此外，在抽气取样过程中，由于气体通过吸收瓶时会使吸收液发生剧烈湍流，从而易发生气、液夹带现象，而且抽气速度越快，气体夹带的液体越多。因此，抽气速度过快会导致部分吸收液随烟气从吸收瓶中夹带而出，增大试验测量误差。以250 mL取样瓶为例，抽气速度在15 mL/min左右为宜。

4 结束语

现阶段，SCR脱硝反应装置在国内的火电厂中得到了广泛应用，脱硝性能考核试验成为判断SCR装置运行状态的重要手段，也是提高SCR装置运行经济性的重要依据，因此，有必要提高脱硝试验的科学性，降低试验过程中存在的误差。

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