中试平台SCR低温催化剂测试与氨逃逸分布特征

赵瑞，张翼，余学海，史晓宏，刘毅，王鹏，韩涛

（神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100084）

目前燃煤电厂NOx的排放必须满足火电厂大气污染物排放标准[1]的要求，一般情况下NOx出口浓度控制在50mg/m3（标准）以下，部分地区如京津冀，要求NOx达到更低的排放浓度。燃煤电厂广泛采用选择性催化还原法（SCR）技术，该技术是目前最主要的商业化应用脱硝技术之一[2]。随着国内燃煤机组大规模的超低排放改造[3-4]，脱硝系统入口的NOx浓度值低于设计值，有时能达到150mg/m3（标准），甚至更低[5-6]。在同等脱硝效率的要求下，增加了对SCR脱硝系统氨逃逸控制的难度[7]，由此会造成SCR脱硝后局部氨逃逸现象。SCR脱硝系统的氨逃逸（过量的NH3）与烟气中的SO3在低温下反应生成硫酸氢铵[8]，硫酸氢铵的生成与氨逃逸浓度、SO3量、温度、湿度等都有关系[9]，硫酸氢铵生成量的上升，导致其在空预器内的黏结，进而引起空预器堵塞[10]，影响机组稳定运行。因此，SCR脱硝系统一般将氨逃逸浓度控制在2.28mg/m3以下，甚至更低。有些机组为解决氨逃逸问题，正在开展精细化喷氨研究及改造[11]。

目前煤电机组的调峰作用进一步突显[12]，低负荷运行的情况越来越多，这就要求燃煤机组低负荷时也能达标运行，而燃煤机组低负荷运行时，脱硝系统入口烟气温度会低于290℃，甚至出现更低温度的情况。而目前常规的脱硝催化剂运行温度为300～420℃、烟气温度低于290℃时[13]，脱硝系统强制退出，对环保产生不利的影响。目前国内学者研究了过渡金属/稀土金属对低温催化剂活性的影响，同时开展制造工艺、催化剂形态等相关研究。整体而言，低温催化剂的研究处于实验室阶段及工业验证阶段。为解决燃煤机组低温段脱硝问题，国内科研院所[14-16]提出了一些解决办法。采用适应于低温段运行的催化剂依然是便捷的技术之一[17]，而实际烟气条件下低温段催化剂的运行研究数据较少，在全流程烟气污染物中试平台上的试验数据，对低温脱硝催化剂的基础研究和工业化应用有良好的推动作用。本文对低温段脱硝催化剂的整体性能进行测试，从脱硝催化剂本身的适应温度出发，探讨其在低温段时的性能指标。一般来说，脱硝系统的脱硝效率与催化剂的运行温度密切相关，氨逃逸浓度与催化剂的催化效率也有较大关系。采用在线测试和现场取样分析结合的方式分析氨逃逸浓度情况，并研究沿程的氨逃逸分布降低情况，为机组进一步稳定运行提供数据支撑。探索脱硝系统投运温度下限，实现机组在全负荷范围内脱硝。

1 试验所用中试平台概况

脱硝催化剂的试验依托国华三河电厂建设的中试平台，该平台拥有燃煤电厂尾部烟道的全流程烟气污染物控制试验系统，主要用于开展燃煤电站污染物近零排放控制技术集成研究。设计烟气量为20000m3/h（标准），中试平台所用烟气是从国华三河电厂3号机组低温省煤器出口抽取，烟气经中试平台试验后回3号机组脱硫入口烟道。3号机组为一次中间再热的亚临界330MW机组，设计工况时省煤器出口烟气量（BMCR）为2309964m3/h（标准），省煤器出口烟气温度（BMCR）为372℃。

中试平台试验流程包括：3号机低温省煤器出口→脱硝前一级烟气冷却器→SCR系统→脱汞系统→脱硝后一级烟气冷却器→脱硝后二级烟气冷却器→低温静电除尘器→引风机→高效脱硫系统→高效除尘除雾装置。

中试平台的脱硝系统采用SCR技术，共可安装三层试验催化剂，目前只安装两层低温段脱硝催化剂，每层模块布置为1×2，所用催化剂为新开发的低温段催化剂，添加了少量过渡金属元素/稀土元素，催化剂基体仍为五氧化二钒，型式为蜂窝式。脱硝系统所用还原剂取自3号机组的母氨气管道。设置一台稀释风机，通过静态混合器混合后进入SCR反应器。中试平台共设置3台烟气冷却器，布置在脱硝前及脱硝后的水平烟道内，脱硝SCR反应器前的烟气冷却器用于调节脱硝SCR反应器入口的烟气温度，以达到试验要求的温度。中试平台脱硝系统共安装两套测试系统，分别安装在脱硝系统进出口烟道上，进口烟道上主要有NOx、O2、温度、压力、流量，出口烟道上有NOx、O2、温度、压力、氨逃逸，监测指标均进入集散控制系统（distributed control system，DCS）。

中试平台同时设置一台五电场低温静电除尘器，除尘效率＞99.9%，满足出口粉尘浓度≤15mg/m3（标准）。脱硫吸收塔配置循环泵、浆液喷淋系统、搅拌系统和高效除尘除雾系统。

2 试验测试方法

为测试中试平台安装脱硝催化剂的低温段性能指标，通过调节脱硝前一级烟气冷却器，确保脱硝反应器入口烟气温度在290～250℃范围内，分别测试烟气温度为290℃、275℃、260℃、250℃四个温度时催化剂的性能指标。为全面测试催化剂的各项指标，综合分析在线测试和手动取样测试的数据[18]。中试平台脱硝系统安装有烟气温度、NOx浓度、烟气量、脱硝效率、氧含量、压力、氨逃逸、SO2浓度等在线测试仪表，试验前对在线仪表进行校准，测试方法均按照规范要求进行。对氨逃逸浓度和SO2/SO3转化率测试难度较大，采用现场手动取样测试。

2.1 氨逃逸浓度手动取样测试方法

烟气中氨的采样测试方法按照规范《DL/T260 2012燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》执行，烟气恒定流速采样，经过滤介质通过加热至120℃的采样枪，加热是为了防止水汽凝结影响测试结果，进入两级装有稀硫酸溶液的吸收液，先后吸收烟气中的氨，将两级吸收液转移至溶液瓶中，少量多次洗涤吸收瓶后定容备用，使用离子色谱分析仪分析其中的NH4+浓度，离子色谱检测准确度高、灵敏度高[19]。

2.2 SO3手动测试方法

SO3现场采样主要使用控制冷凝法。控制冷凝法如图1所示，按照规范[20]要求执行，同时也参考国外JIS K103、EPA-8A等控制冷凝方法，测试主要步骤为：保持加热采样枪温度在260℃及以上，恒定流速采样（约10L/min），烟气经加热保温及过滤后进入冷凝螺旋管，冷凝螺旋管水浴温度维持在75～85℃。烟气进入冷凝螺旋管后温度降低，SO3与水汽凝结成亚微米的硫酸雾滴，硫酸雾滴由于离心力作用碰撞到冷凝管内壁而被收集。采样后，用去离子水淋洗冷凝管及连接软管，并将淋洗液定容，采取离子色谱法分析淋洗液中的SO2-4，并换算得到烟气中SO3的浓度。

图1 控制冷凝法采样系统

2.3 主要测试仪器

手动采样主要仪器为ES C-5000烟气多污染采样系统，瑞士万通ECO-IC离子色谱仪。脱硝进出口在线仪表采用的日本富士分析仪M6900，采用非分散红外法测量SO2、NOx。

2.4 测试点位设置

烟气采样试验测试点位设置为图2中A、B、C、D、E部位。SO2测试点位为A点；NH3的测试点位为B、C、D、E点；SO3的测试点位为A、B、C、D、E点；根据手工测得数据进行SO2/SO3转化率以及氨逃逸浓度计算。

图2 试验测试点位示意

3 结果分析

3.1 催化剂性能分析

为验证该催化剂在低温段时的效果，在试验期间，烟气量为额定负荷烟气量，基本维持在20000～25830m3/h（标准）之间波动，已达到中试平台设计满负荷。烟气为三河电厂实际燃煤烟气，脱硝入口NOx浓度范围为125.00～203.50mg/m3（标准），见图3～图5。

图3 中试平台烟气量及脱硝入口NOx浓度（250℃）

图5 中试平台烟气量及脱硝入口NOx浓度（290℃）

结合在线仪表数据，分析脱硝系统入口NOx浓度、脱硝系统出口NOx浓度、脱硝效率及氨逃逸等数据，当催化剂在250℃运行时，脱硝效率及出口NOx浓度如图4。在250℃低温时，正常情况脱硝效率控制在80%左右，出口NOx浓度小于50mg/m3（标准），满足燃煤机组低负荷低温运行要求。

290℃时，烟气量为额定负荷烟气量，基本维持在20000～25830km3/h（标准）之间，脱硝入口NOx浓度范围为125.00～180.45mg/m3（标准）。从图5中看出，290℃时运行较为平稳。

从图6中看出，该催化剂在290℃时脱硝效率可以在80%以上稳定运行，脱硝出口的NOx浓度基本小于30mg/m3（标准），运行良好，满足京津冀地区环保指标要求。当出现脱硝效率低于80%的情况时，脱硝出口NOx浓度能在一定时间内满足环保指标要求。

图6 290℃时NOx进出口浓度及脱硝效率

3.2 脱硝温度对氨逃逸影响

为进一步判断低温段250～290℃时催化剂的运行效果，对4个温度进行测试，试验结果分析如图7。测试数据均表明，温度较高时，氨逃逸浓度较高，温度降低时，氨逃逸浓度有所降低，氨逃逸浓度与脱硝催化剂运行温度密切相关。主要原因是在低温段时易出现脱硝副产物硫酸氢氨的沉积，沉积温度与氨浓度和SO3浓度相关。整体而言是温度在250～260℃之间时易沉积，与已有文献研究结论一致[21-22]。

图7 脱硝入口温度对氨逃逸浓度的影响

3.3 脱硝温度对SO2/SO3转化率影响

在不同温度下取样测试脱硝反应器进出口SO3浓度及脱硝反应器入口SO2浓度，计算不同温度时的SO2/SO3转化率，具体结果如图8。随着温度的升高，SO2/SO3转化率也有所升高，SO2/SO3转化率与催化剂运行温度密切相关，在290℃时，两层催化剂SO2/SO3转化率达到了0.73%，小于1%的要求。

图8 SO2/SO3转化率与催化剂温度的关系

3.4 沿程氨逃逸浓度分布特征

为进一步分析氨逃逸浓度在烟道沿程的分布消减情况，在275℃时对脱硝后、除尘前、除尘后、脱硫后等点位进行取样分析，发现氨逃逸浓度不断降低。从图9中可以看出，逃逸的氨在进入除尘器前，通过烟气冷凝器的降温，约减少32.2%的逃逸氨，最大可能为附着在烟道内，该部分逃逸氨对机组的安全稳定运行影响较大。

图9 275℃时各检测点位的氨逃逸浓度

从进入除尘器前到除尘后，除尘器出口的氨逃逸浓度降至0.5mg/m3（标准）以下，相比入口氨逃逸浓度降低约50.4%，与脱硝出口氨逃逸浓度相比，降低约66.5%，降幅明显，说明在除尘的过程中，大量的逃逸氨随着烟气中的灰尘进入灰中。脱硫出口处氨逃逸浓度约为0.25mg/m3（标准）。

分别对250℃、260℃、290℃温度在脱硝后、除尘前、除尘后三个点位进行氨逃逸浓度取样检测，鉴于275℃脱硫出口氨逃逸浓度值较低，其他温度没有在脱硫出口处测试氨逃逸浓度，测试值如图10所示。不同温度时，氨逃逸浓度随着温度的降低而降低，不同温度降幅略有差别，脱硝后至除尘前降幅范围为13%～55%，脱硝后至除尘后的整体降幅范围为53%～75%。除尘后的氨逃逸浓度基本处于0.4～0.5mg/m3（标准）。

图10 不同温度下各测试点位的氨逃逸浓度

4 结论

（1）该低温段催化剂在实际烟气中可适应较低的运行温度范围，温度范围为250～290℃，运行时间超过4个月。

（2）在实际烟气的中试平台上，在设定的运行温度范围内，脱硝入口NOx浓度在100～300mg/m3（标准）范围内波动，一般在120～200mg/m3（标准）之间时，脱硝效率维持在80%附近时，脱硝出口NOx浓度小于50mg/m3（标准），氨逃逸浓度最高为1.68mg/m3（标准），小于2.28mg/m3（标准），SO2/SO3转化率为0.73%，均满足环保要求。运行过程中随着入口浓度的变化，脱硝效率也会有一定幅度的变化，一般不建议脱硝效率超过90%以上运行。

（3）在250～290℃运行范围内，氨逃逸浓度随着温度而降低，当在250～260℃时，应重点关注硫酸氢氨的沉积。290℃时，经烟气冷凝器降温，氨逃逸浓度减少32.2%，这部分逃逸氨对机组的安全稳定运行影响较大；除尘器对逃逸氨的脱除作用较为明显，相比入口氨逃逸浓度降低约50.4%，与脱硝出口氨逃逸浓度相比降低约66.5%。此部分逃逸氨最大可能随着烟气中的灰尘进入灰中。脱硫出口处氨逃逸浓度约为0.25mg/m3（标准）。