胡小夫，汪洋，王云，郝正，王凱亮，李偉，王樺，張南極

(中國華電科工集團有限公司，北京 100070)

0 引言

燃煤電站發(fā)電過程中會釋放氮氧化物(NOx)，排放到大氣中的NOx不僅會對人和動植物造成直接傷害，還會引起酸雨和光化學煙霧等二次污染。我國環(huán)保部門要求嚴格控制火電廠NOx的排放量，脫硝裝置出口NOx質(zhì)量濃度控制指標已由100 mg/m3(標態(tài))降至50 mg/m3(標態(tài))，甚至更低。目前，燃煤電站應用最廣、技術最成熟的煙氣脫硝技術是選擇性催化還原(SCR)技術，而催化劑是該技術的核心［1］。

SCR脫硝系統(tǒng)實際運行過程中，因設計缺陷、運行方式不當及設備磨損老化等原因暴露了諸多問題。如部分機組采用的SCR催化劑出現(xiàn)堵塞、積灰、中毒、坍塌等現(xiàn)象，造成脫硝效率下降和催化劑壽命縮短，催化劑提前更換或再生都會給電廠帶來直接的經(jīng)濟損失。常規(guī)SCR脫硝控制系統(tǒng)對脫硝氨氣流量控制采取固定摩爾比的方式，難以精確控制氨氮摩爾比，運行人員為保證達標排放需要進行過量噴氨，導致氨耗量和氨逃逸率增加;同時，煙氣中部分SO2會在催化劑作用下轉(zhuǎn)化成SO3，逃逸的NH3與SO3和H2O生成硫酸氫銨(ABS)，隨著煙溫的降低，ABS會凝固在空氣預熱器(以下簡稱空預器)冷段的傳熱元件上并吸附煙氣中的飛灰，造成空預器阻力增大甚至堵塞，ABS還具有腐蝕性，會導致空預器蓄熱片金屬件腐蝕變脆甚至斷裂，嚴重危害機組的安全運行。SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度分布不均且煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)測點位置不具代表性，導致SCR脫硝出口NOx測量值與脫硫入口的測量值偏差大，易造成NOx超標排放。因此，研究SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的運行優(yōu)化措施，改善脫硝系統(tǒng)的運行狀態(tài)，具有非常重要的意義。

本文首先對SCR脫硝系統(tǒng)實際運行過程中存在的入口NH3/NOx分布不均、催化劑失活、氨逃逸及空預器堵塞等問題進行分析，然后介紹流場及噴氨優(yōu)化管理、催化劑性能控制管理和建立預警系統(tǒng)等一系列優(yōu)化調(diào)整方法，可為SCR脫硝系統(tǒng)高效安全經(jīng)濟運行提供參考。

1 SCR脫硝系統(tǒng)存在的問題

1.1 脫硝入口NH 3/NO x分布不均

國家鼓勵燃煤電站進行靈活性改造，使得機組負荷變動更加頻繁，變動幅度也更大，而機組負荷的大幅變化會影響SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣流場及NOx的分布(分布偏差大于20%)［2］。因入口 NOx分布不均以及傳統(tǒng)噴氨工藝不能使噴氨量隨NOx質(zhì)量濃度的變化而變化，使得反應器入口處氨濃度場和煙氣NOx濃度場不匹配，導致系統(tǒng)的脫硝效率降低、氨逃逸率升高。為了保證系統(tǒng)的脫硝效率，運行人員只能過量噴氨，雖然能提高系統(tǒng)的脫硝效率，卻會導致耗氨量和氨逃逸率增加，給SCR脫硝系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行帶來隱患。

1.2 SCR催化劑失活

催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)中最關鍵的部分，在使用過程中催化劑的活性會逐漸下降，該現(xiàn)象稱為催化劑失活。煙氣流場和濃度場的不均勻會從物理和化學2個方面對催化劑造成影響。物理方面，煙氣因速度偏差大易產(chǎn)生積灰堵塞催化劑，還會造成催化劑磨損;化學方面，煙氣溫度過高會使催化劑燒結，煙氣溫度過低和濃度場不均勻會生成ABS，并使其沉積在催化劑表層，造成催化劑中毒。此外，煙氣中的有毒物質(zhì)(如As，Na，K等)也會導致催化劑中毒失活。

1.2.1 催化劑堵塞

鍋爐燃燒產(chǎn)生的飛灰顆粒和流場分布不均是造成催化劑堵塞的主要原因。細小的飛灰顆粒在SCR反應器上游聚集到一定程度后掉落到催化劑表面，形成搭橋后造成催化劑堵塞;粒徑較大的爆米花狀飛灰則直接飄落至催化劑表面形成堵塞。研究發(fā)現(xiàn)，SCR脫硝催化劑服役期間，上層催化劑堵塞最為嚴重，中層和下層催化劑狀態(tài)基本良好。某電廠上層SCR脫硝催化劑入口處堵塞現(xiàn)象如圖1所示。催化劑堵塞會造成SCR脫硝系統(tǒng)壓力損失增大，并導致脫硝效率下降，嚴重影響脫硝系統(tǒng)的正常運行。

1.2.2 催化劑磨損

輕微的飛灰磨損可以促進催化劑表面更新，以保持良好的活性，但過度磨損會使催化劑表面活性組分過快流失而導致脫硝效率下降;同時，磨損還會使催化劑局部變薄，甚至造成催化劑斷裂［1，3－4］。研究發(fā)現(xiàn)，流場分布不均是導致催化劑層磨損的主要原因，其中整流格柵支撐橫梁前側(cè)和后墻側(cè)的SCR脫硝催化劑磨損最為嚴重。

圖1 某電廠上層SCR脫硝催化劑入口處堵塞現(xiàn)象Fig.1 Blockage of the upper layer SCR denitration catalyst at the inlet in a power plant

1.2.3 催化劑燒結

煙氣溫度過高會導致催化劑微晶尺寸逐漸增大或原生粒長大，同時還會引起化學組成和相組成變化、載體包埋活性組分、活性組分聚集以及活性組分揮發(fā)等問題，造成催化劑永久失活，會導致脫硝效率下降和氨逃逸率增加，影響脫硝系統(tǒng)的正常運行。

1.2.4 催化劑中毒

煙氣中含有的堿金屬、堿土金屬、砷和磷等有毒物質(zhì)以及其中的某些組分在催化劑表面生成硫酸銨、硫酸氫銨和硫酸鈣等是造成SCR催化劑中毒的主要原因，圖2為堿金屬K+引起的催化劑中毒機理示意圖。K+與SCR催化劑表面的活性位點“B”酸位發(fā)生反應，生成V－OK，削弱了催化劑表面“B”酸位的酸性，使催化劑吸附NH3的能力下降，抑制SCR反應活性中間體NH4+的生產(chǎn)，使得催化活性隨之下降［1，5－6］。

圖2 SCR催化劑堿金屬K+中毒機理Fig.2 SCR catalyst alkali metal K+poisoning mechanism

1.3 氨逃逸及空預器堵塞

燃煤電站安裝SCR煙氣脫硝系統(tǒng)后，普遍存在氨逃逸現(xiàn)象。SCR反應器入口前NH3和NOx混合不均勻，導致反應器內(nèi)局部區(qū)域的NH3和NOx反應不匹配，未反應的NH3隨煙氣一并進入下游設備，形成氨逃逸現(xiàn)象，給電廠帶來經(jīng)濟損失;同時，逃逸的NH3還會和煙氣中的SO3和H2O反應形成ABS凝結在下游的空預器內(nèi)，腐蝕空預器冷段并與煙氣中的粉塵結合導致空預器堵塞，嚴重威脅機組的安全運行。

2 運行優(yōu)化方法

2.1 流場及噴氨優(yōu)化管理

在不影響鍋爐整體運行的前提下，對機組進行流場及噴氨優(yōu)化調(diào)整，不僅可以保證系統(tǒng)具有高的脫硝效率和預防催化劑磨損，還能降低氧逃逸率，解決空預器堵塞問題，實現(xiàn)SCR脫硝系統(tǒng)高效、安全、經(jīng)濟運行。

2.1.1 入口NOx流場優(yōu)化

采用導流板、煙氣混合器、整流器等對脫硝入口煙氣進行調(diào)整，可以提高SCR反應器入口流場的均勻性及NH3/NOx混合的均勻性。盧洪波等［7］研究發(fā)現(xiàn)，隨著導流板組數(shù)(6～9)的增加，反應器內(nèi)流場的均勻性得到改善，但依然存在少數(shù)小型渦流，加入整流格柵對流場分布的均勻性具有顯著的改善作用。黃鑒琦等［8］提出在豎直煙道中安裝圓盤靜態(tài)混合器代替常規(guī)導流板，可以在較低的壓阻下解決SCR脫硝系統(tǒng)催化劑入口截面氣固兩相混合不均的問題，有效延長催化劑的使用壽命。王朝陽等［9］對某電廠1 000 MW塔式鍋爐脫硝系統(tǒng)雙變截面煙道處的導流板布置方式進行研究，提出了將原截面煙道拆分為X，Z方向的2個變截面煙道的改造方案，消除了系統(tǒng)內(nèi)的回流區(qū)和低速區(qū)，使流場的均勻性顯著提升。程智海等［10］對某600 MW超臨界燃煤機組的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)內(nèi)流場進行數(shù)值模擬，結果表明，采用不同傾角的平直形、圓弧形或圓?。街毙螌Я靼蹇梢杂行б种茻煹缽濐^處煙氣速度分離的現(xiàn)象，將催化劑入口速度偏差從空塔時的86.31%降至 8.60%。呂太等［11］研究發(fā)現(xiàn)，通過適當調(diào)大圓盤導流板的傾角及各噴口的噴氨速度，可以有效改善催化劑層入口處NH3/NOx分布的均勻性，使入口處氨氮摩爾比相對標準偏差控制在4%以下。

2.1.2 噴氨優(yōu)化調(diào)整

SCR脫硝系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的關鍵之一是還原劑NH3與NOx能達到最佳混合。實際工程應用中，普遍采用渦流式靜態(tài)混合噴射裝置和線性控制式噴氨格柵。但這2種裝置不能保證噴氨量與煙氣中的NOx相互匹配，為了保證各負荷下催化劑入口截面NH3和NOx分布的均勻性，降低入口處氨氮摩爾比相對標準偏差，分區(qū)控制式噴氨格柵技術應運而生。該技術將煙道分成若干個大小相同的獨立區(qū)域，每個區(qū)域配若干個噴嘴，每個區(qū)域的噴氨量可以單獨控制，從而保證噴氨量與煙氣中的 NOx相互匹配［12］。翁驥等［13］在對噴氨格柵采用分區(qū)控制式噴射技術，使得該系統(tǒng)在維持總脫硝效率基本不變的情況下，出口NOx質(zhì)量濃度和氨逃逸率的峰谷差異顯著下降。郝功濤等［14］通過分區(qū)噴氨優(yōu)化調(diào)整，使得SCR裝置A，B側(cè)出口NOx質(zhì)量濃度分布相對標準偏差分別下降了52%和69%，氨逃逸率也分別降低了63%和54%。羅志等［15］在某電廠660 MW機組上進行了分區(qū)混合動態(tài)噴氨技術改造，改造后催化劑入口截面速度及氨氮摩爾比分布均勻性顯著提高，同時還降低了氨耗量。

2.2 催化劑性能管理

2.2.1 催化劑失活的控制方法

(1)堵塞的控制方法。在催化劑安裝過程中，需要將支撐結構并列排好，盡量減少層疊區(qū)和煙氣倒流現(xiàn)象，有效減少飛灰顆粒的沉淀，從而降低催化劑的堵塞。在催化劑服役期間，應在SCR脫硝反應器內(nèi)加裝吹灰裝置(如聲波吹灰器、蒸汽吹灰器和吹灰炮等)，通過自動控制系統(tǒng)對催化劑進行定時吹掃，停機前更需要充分吹灰。

(2)磨損的控制方法。飛灰對催化劑的磨損不僅受煙氣流速和飛灰顆粒質(zhì)量濃度的影響，還受飛灰顆粒的性質(zhì)、成分、密度等性質(zhì)影響［16］。飛灰顆粒的性質(zhì)由煤質(zhì)及鍋爐燃燒特性等所決定，較難控制，催化劑的磨損速率與煙氣流速的3.3次方成正比，而煙氣中飛灰的質(zhì)量濃度可通過優(yōu)化SCR反應器入口煙氣流場進行控制。電廠選取催化劑時，應對催化劑進行專業(yè)檢驗，以確保催化劑的機械強度、抗磨碎率符合要求;催化劑服役期間，通過在SCR反應器入口前安置導流板、煙氣混合器、整流器等方式，提高飛灰顆粒在煙氣流場中分布的均勻性，達到預防催化劑磨損失效的目的。

(3)燒結的控制方法。催化劑制備過程中，可通過加入熱穩(wěn)定劑來減少燒結現(xiàn)象的發(fā)生［4］。催化劑服役期間，將反應溫度控制在塔曼溫度以下，可顯著減少催化劑的燒結速率，但反應溫度降低勢必會影響脫硝效率，可通過提高催化劑活性或增加催化劑表面積等方法來彌補。

(4)中毒的控制方法。催化劑投入運行前，通過模擬分析等方法判斷催化劑可能出現(xiàn)的中毒現(xiàn)象，在催化劑制備過程中添加抗中毒組分，達到延緩催化劑中毒的目的。催化劑服役期間，通過定期吹掃對催化劑表面進行清潔，可有效延緩各種化學元素在催化劑內(nèi)的擴散，從而降低催化劑的中毒程度;若確定催化劑對某種化學元素存在嚴重中毒現(xiàn)象，可以有針對性地降低燃煤中該化學元素的含量。

2.2.2 催化劑壽命預測

催化劑是燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)的核心，在運行過程中會緩慢失活，及時預測催化劑壽命并提出更換或加裝方案是保證SCR脫硝系統(tǒng)高效、經(jīng)濟運行的關鍵。董長青等［17］針對燃煤電站SCR脫硝催化劑運行過程中的失活機理，建立了SCR催化劑的壽命預測方法，并對失活動力學模型進行了修正及驗證。傅玉等［18］基于SCR反應器的基礎模型和失活模型，建立了催化劑壽命管理模型，并在此基礎上獲得了催化劑最優(yōu)管理方案。

2.3 建立預警系統(tǒng)

2.3.1 溫度預警

反應溫度不僅決定催化劑的化學反應速度，還決定其化學反應活性。SCR反應只有在特定的溫度區(qū)間(如320～420℃)才會發(fā)生。當鍋爐降低負荷運行時，省煤器出口煙溫隨之降低，通過SCR系統(tǒng)的煙氣溫度可能會降到允許的最低連續(xù)運行溫度以下。當催化劑運行溫度低于320℃時，催化反應速率較慢，脫硝效率相對較低，氨逃逸率增大，在低溫下生成的銨鹽會造成催化劑微孔堵塞，不利于脫硝反應的進行，還會造成下游空預器堵塞，因此低溫運行超過24 h需要進行預警并停止噴氨。在300～420℃連續(xù)運行時，若因負荷變化等原因造成催化劑運行溫度達420℃以上超過5 h或每年出現(xiàn)4次以上超溫，需要進行高溫預警，以防催化劑大面積燒結失活。

2.3.2 催化劑活性預警

將催化劑活性下降速率k作為催化劑預警指標之一，當k≥20%時，催化劑可能因燒結、中毒等原因而存在失活風險，需要對其進行預警，以確保SCR系統(tǒng)具有良好的NOx轉(zhuǎn)化率，使超標罰款造成的損失降到最低。

其中：K2為催化劑在某實際運行周期內(nèi)的平均活性;K1為催化劑在某平穩(wěn)運行周期內(nèi)的平均活性。

2.3.3 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率超標預警

通過測量SCR脫硝系統(tǒng)兩端煙道中SO2和SO3的質(zhì)量濃度計算SO2轉(zhuǎn)化率a，將a作為脫硝系統(tǒng)預警指標之一，當a大于1%時，系統(tǒng)進行報警，以減少空預器ABS堵塞嚴重而引起的機組非計劃停運次數(shù)，保證機組可靠、連續(xù)運行。

式中：ρSO3－ex為脫硝系統(tǒng)煙道出口處測量的SO3質(zhì)量濃度;ρSO3－in為脫硝系統(tǒng)煙道入口處測量的SO3質(zhì)量濃度;ρSO2－in為脫硝系統(tǒng)煙道入口處測量的SO2質(zhì)量濃度。

3 結束語

工作的重中之重，本文針對SCR脫硝系統(tǒng)實際運行中存在的反應器入口NH3/NOx分布不均、催化劑失活、氨逃逸率高及空預器堵塞等問題，提出了SCR脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化管理方法。對機組進行流場及噴氨優(yōu)化調(diào)整可以保證系統(tǒng)高的脫硝效率、預防催化劑磨損和降低氧逃逸率;對催化劑性能進行管理可以獲得最優(yōu)的催化劑壽命管理方案;通過建立預警系統(tǒng)盡早發(fā)現(xiàn)各類故障和缺陷，以保證SCR脫硝系統(tǒng)更加高效、安全、穩(wěn)定地運行。