超低排放SCR脱硝装置的问题与解决对策

       随着我国SCR脱硝装置的广泛应用,烟气系统积灰堵塞、磨损破损、冷端设备腐蚀已成为困扰机组NOx超低排放运行较为突出的问题。以某2X1000WM机组为例,经现状调查、原因分析与诊断,制定解决对策并实施改造。工程实践应用表明,合理的设计建造指标,优良的导流、均流与NH3/NOx混合技术行之有效。

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。 

表 1 SCR脱硝装置主要设计指标

QQ截图20190211092534.jpg

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。 

表 2 SCR脱硝装置主要测试指标

QQ截图20190211092559.jpg

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。 

表 3 导流板安装偏差检查

QQ截图20190211092621.jpg

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。

QQ截图20190211092653.jpg

图 1 催化剂积灰堵灰、磨损和内裂

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 4 SCR脱硝设备积灰、破损检查表

QQ截图20190211092636.jpg

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。

QQ截图20190211092705.jpg

图 2 催化剂性能与脱硝效率

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500mm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500mm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500mm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500mm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。

QQ截图20190211092719.jpg

图 3 流速偏差与氨逃逸

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。

QQ截图20190211092732.jpg

图 4 NH3/NOx分布偏差与氨逃逸

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=2~3μg/m3,NH3<2μg/m3时,硫酸氢铵附着积聚现象就会在空气预热器内发生。

QQ截图20190211092744.jpg

图 5 转化温度、NH3·SO3与ABS

 

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8.7μg/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。

QQ截图20190211092755.jpg

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。

QQ截图20190211092808.jpg

图 7 改造前氨逃逸与脱硝效率

QQ截图20190211092819.jpg

图 8 改造后氨逃逸与脱硝效率

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。

表 5 SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值(一)

QQ截图20190211092833.jpg

表 6 SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值(二)

QQ截图20190211092845.jpg

表 7 SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值(三)

QQ截图20190211092859.jpg

表 8 SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值(四)

QQ截图20190211092910.jpg

表 9 SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值(五)

QQ截图20190211092921.jpg

表 10 SCR脱硝装置主要设计建造指标推荐值(六)

QQ截图20190211092932.jpg