超低排放SCR脱硝装置的问题与解决对策

崔 社

（国家电投集团远达环保工程有限公司，重庆 401122）

SCR脱硝装置凭借技术成熟、脱硝效率高、还原剂NH3价廉易得、煤种适应范围宽、适宜大容量机组NOx超低排放运营等优势，广泛应用于我国火力发电企业。

烟气系统的积灰堵塞、磨损破损、冷端设备ABS（即Ammonium Bisulfate，中文名称硫酸氢铵，分子式NH4HSO4）现象发生频率较高，折射出当前SCR脱硝装置经济运行、性能保障的危机。本文以某火电企业调研和测试数据为基础，通过流场模拟、理论分析和诊断，将成功的解决对策分享给读者，所涉及的方法、手段、分析依据和技术指标，可为SCR脱硝超低排放工程提供技术借鉴和实践参考。

1　SCR脱硝装置现状调查

1.1　主要设计指标

该SCR脱硝装置主要设计指标参考《火电厂烟气脱硝技术导则》（DL/T296-2011）设定，具体情况如表1所示[1]。

1.2　主要测试指标

在100%BMCR工况下，SCR装置脱硝效率、氨逃逸以及射入角、流速、NH3/NOx分布偏差等指标偏离设计值，具体情况如表2所示。

1.3　导流板安装偏差

反应器入口烟道6组导流板安装偏差多处超出允许值，具体情况如表3所示。

1.4　催化剂积灰堵塞、磨损和内裂

SCR反应器顶层催化剂积灰堵塞、磨损和内裂情况如图1所示。A2～A17（不包含A5、A7、A5）、B1～ B17（不包含 B4、B9、B14）、C1～ C17（不包含C15）、D1～D17（不包含D3、D5、D8、D9、D13）、E1、E4、E14、E15、E16为积灰堵塞分布，C15 为损坏，B4、B9、B14、D5、D9、D13、F4、F9、F14为内裂。

1.5　其他设备积灰堵塞、磨损破损

烟气系统导流板、喷氨格栅（AIG）、均流管、飞灰整流器、空气预热器积灰堵塞、磨损破损情况如表4所示，同时空气预热器换热元件发生腐蚀。

表1　SCR脱硝装置主要设计指标

表2　SCR脱硝装置主要测试指标

表3　导流板安装偏差检查

表4　SCR脱硝设备积灰、破损检查表

2　原因分析与诊断

烟气设备的积灰堵塞、磨损破损、导流板安装偏差等因素，均会改变流道流场分布，导致注入氨浓度分布不均、NH3/NOx混合效果差、氨逃逸增加。氨逃逸和SO2/SO3转化率增加造成催化剂堵塞失活、空气预热器腐蚀、SCR脱硝性能下降。

2.1　积灰堵塞

该煤质收到基灰分Aar、煤灰SiO2和Al2O3含量分别为41.3%、64.1%和27.1%。脱硝装置入口烟气粉尘和灰分SiO2含量高是导致烟气设备积灰堵塞的成因。分析图2可知，催化剂堵塞导致催化剂提前失活、SCR装置脱硝效率下降[2]。

2.2　磨损破损和催化剂内裂

锅炉和SCR烟气系统设备未做灰渣清理，机组启动运行后，烟气携带残渣、金属碎片以及大颗粒粉尘流入，冲击或撞击下游设备，导致设备局部磨损破损、催化剂内裂。仅考虑导流板和飞灰整流器破损因素，经测试和流场模拟分析：喷氨格栅（AIG）前500 mm处烟道断面流速偏差不合格率3.1%；SCR反应器烟气流向射入角偏差不合格率4.8%；SCR反应器顶层催化剂入口前500 mm处，流道断面流速偏差不合格率13.2%、NH3/NOx分布偏差不合格率11.5%。

分析表明，导流板和飞灰整流器的破损劣化流场和NH3/NOx混合，同时飞灰整流器影响幅度较大。

2.3　导流板安装偏差

仅考虑导流板安装偏差因素，经测试和场模拟分析：喷氨格栅（AIG）前500 mm处烟道断面流速偏差不合格率4.8%；SCR反应器烟气流向射入角偏差不合格6.9%；SCR反应器顶层催化剂入口前500 mm处，断面流速偏差不合格率15.6%、NH3/NOx分布偏差不合格率13.2%。

由此判断，导流板安装偏差超过允许值既影响烟气系统均流和NH3/NOx混合，又导致积灰堵塞、磨损破损和氨逃逸增加。

2.4　氨逃逸与流速偏差

喷氨格栅（AIG）和顶层催化剂前流速偏差不合格率分别为7.5%和29.7%，依据图3分析：流速偏差超过设计值导致氨逃逸增加，同时氨逃逸量随流速偏差加大而增加[3]。

2.5　氨逃逸与NH3/NOx分布偏差

反应器内顶层催化剂前NH3/NOx分布偏差不合格率为23.6%，依据图4分析：氨逃逸随脱硝效率升高而增加；NH3/NOx分布偏差越大，氨逃逸随脱硝效率增幅越大；脱硝效率越高，控制氨逃逸越难；NH3/NOx分布偏差超过设计指标是导致氨逃逸增加的成因，高于流速偏差的影响[4]。

2.6　冷端设备ABS现象

液态硫酸氢铵（NH4HSO4）通常以液滴形式分散于SCR烟气中，其向固态（（NH4）2SO4）转变阶段的温度称为转化温度。但是，转变阶段的硫酸氢铵具有极强的吸附性，会随烟气粉尘一起沉积到转化温区的冷端设备通道内，引起催化剂堵塞失活，造成空气预热器堵塞腐蚀。

运行经验表明，当SO3=2～3 µg/m3，NH3＜2 µg/m3时，硫酸氢铵附着积聚现象就会在空气预热器内发生。依据图5分析：ABS形成取决于转化温度、NH3·SO3浓度之积；转化温度随NH3·SO3浓度之积增加而升高；NH3·SO3浓度之积取决于氨逃逸和SO2/SO3转化率；该装置氨逃逸为8.7 µg/m3、脱硝效率确定，氨逃逸是造成催化剂堵塞和空气预热器腐蚀的主因。

2.7　脱硝效率与SO2/SO3转化率

依据图6分析，提高脱硝效率，催化剂体积量增加，面速度降低，SO2/SO3转化率升高，SO3浓度增加。也就是说，对于SCR超低排放工程来说，SO2/SO3转化率难以控制，应考虑冷端设备防腐[5]。

图1　催化剂积灰堵灰、磨损和内裂

图2　催化剂性能与脱硝效率

图3　流速偏差与氨逃逸

图4　NH3/NOx分布偏差与氨逃逸

图5　转化温度、NH3·SO3与ABS

图6　催化剂面速度与SO2/SO3转化率

3　解决对策与运行建议

按照设计建造指标流场模拟，重新确定导流板类型、数量和位置，并控制导流板加工制作和安装偏差在允许范围内实施更换；无论SCR装置改造与否，都应定期检查飞灰整流器，及时更换受损单元；依据在役催化剂的性能检测和评价结果，对潜能不足、破损严重、发生内裂的催化剂实施添加/更换；基于超低排放SCR脱硝装置氨逃逸、SO2/SO3转化率控制难度大的分析，空气预热器实施防腐改造。定期优化调整喷氨格栅（AIG）系统，保障NH3/NOx混合均匀性；机组启动之前，清除锅炉和SCR脱硝装置烟气系统残渣、金属碎片和大颗粒粉尘，保持催化剂、空气预热器差压在设计范围内清洁运行。

4　效果评价

依据图7、图8综合分析：该SCR脱硝装置设计建造指标合理，改造后能够有效控制氨逃逸，既解决了烟气系统的积灰堵塞、磨损破损和腐蚀问题，又使催化剂活性得以充分发挥、SCR脱硝性能得到可靠保障。

图7　改造前氨逃逸与脱硝效率

图8　改造后氨逃逸与脱硝效率

表5　SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值（一）

表6　SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值（二）

表7　SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值（三）

表8　SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值（四）

表9　SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值（五）

表10　SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值（六）

5　结语

合理的设计建造指标，优良的导流、均流与NH3/NOx混合技术，是保障SCR脱硝性能和经济运行的基础。SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值如表5～表10所示，本文列出指标推荐值供SCR脱硝超低排放工程借鉴和参考。