火電廠脫硝性能試驗(yàn)分析

楊青山，譚建坤

(1.廣州宇陽(yáng)電力科技有限公司，廣東 廣州 510600;2.廣東電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510600)

0 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，人們已認(rèn)識(shí)到氮氧化物(NOx)是引起酸雨、酸霧、光化學(xué)煙霧、臭氧損耗等一系列問(wèn)題的主要污染物之一，其對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成了巨大危害，如何有效消除NOx已成為目前環(huán)境保護(hù)的重要課題。95%以上的NOx主要源于2個(gè)方面:約49%來(lái)自移動(dòng)物體(如機(jī)動(dòng)車)，約46%來(lái)自固定物(如發(fā)電廠)。

為了保護(hù)人們賴以生存的自然環(huán)境，世界各國(guó)對(duì)NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格限制，并進(jìn)行了大量關(guān)于去除 NOx的研究。目前，選擇性催化還原(SCR)技術(shù)以其成熟的技術(shù)工藝和穩(wěn)定的脫硝效率在國(guó)外火電廠中得到了較廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)部分電廠也已開始應(yīng)用。

在關(guān)注SCR脫硝裝置整體脫硝效率的同時(shí)，所采用催化劑的運(yùn)行狀態(tài)、磨損程度和對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響等也應(yīng)加以重視，而目前國(guó)內(nèi)電廠SCR的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并不豐富。為考察SCR脫硝裝置(特別是新安裝的SCR脫硝裝置)的運(yùn)行狀態(tài)，需要定期進(jìn)行系統(tǒng)考核試驗(yàn)。

1 測(cè)試項(xiàng)目

1.1 煙氣的溫度分布

煙道內(nèi)煙氣溫度的分布是否均勻，直接影響系統(tǒng)的脫硝率和SCR脫硝裝置催化劑層的使用性能。良好的煙氣溫度分布有利于催化劑層均勻受熱，可提高催化劑層的使用率、減小催化劑層的形變。而當(dāng)煙氣溫度分布十分不均勻時(shí)，處于高溫區(qū)域的催化劑層易發(fā)生燒結(jié)，使催化劑受損;處于低溫區(qū)域的催化劑層則難以達(dá)到催化反應(yīng)溫度(或反應(yīng)速率很慢)，使催化劑的催化效率降低，進(jìn)而使氨逃逸量增大。煙氣溫度過(guò)低及氨逃逸量的增大會(huì)導(dǎo)致生成更多的硫酸氫氨，長(zhǎng)期這樣運(yùn)行將造成鍋爐空氣預(yù)熱器的堵塞和腐蝕。

1.2 煙氣的流速分布

煙氣的流速分布也是影響催化劑運(yùn)行性能的重要因素之一。由于目前電廠的SCR脫硝裝置大多設(shè)置在鍋爐的省煤器和空氣預(yù)熱器之間，煙氣含塵量較高，因此，當(dāng)局部煙氣流速較高時(shí)，對(duì)催化劑的磨損較大，通過(guò)相應(yīng)區(qū)域催化劑的煙氣量也較大，使該區(qū)域催化劑層的催化反應(yīng)能力受到限制;反之，當(dāng)局部煙氣流速較低時(shí)，會(huì)加快飛灰在催化劑表面的沉積，降低催化劑的性能。較好的煙氣流速分布能保證煙氣較均勻地通過(guò)催化劑層，使催化劑的性能達(dá)到最優(yōu)。此外，煙氣的流速分布會(huì)影響催化劑出口NOx和NH3的濃度分布，給系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)危害。

1.3 煙氣中NO的分布

SCR反應(yīng)器入口和出口的NO及O2濃度，是計(jì)算實(shí)際脫硝率的重要數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到的脫硝率又可以判斷現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表和分散控制系統(tǒng)(DCS)顯示值的準(zhǔn)確度。由于SCR反應(yīng)器出口煙氣中NO的分布與系統(tǒng)的煙氣流速分布、氨噴射狀態(tài)、催化劑的性能等有直接關(guān)系，故NO含量測(cè)量的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。

1.4 氨逃逸的測(cè)量

對(duì)SCR反應(yīng)器出口氨逃逸量進(jìn)行測(cè)量，是為了考察氨噴射系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，同時(shí)為合理調(diào)整氨的噴射量、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性做指導(dǎo)。此外，通過(guò)氨逃逸量的測(cè)量，可粗略計(jì)算出系統(tǒng)的脫硝率，并可作為檢測(cè)NO含量測(cè)量準(zhǔn)確性的手段之一。

1.5 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的測(cè)量

通過(guò)測(cè)量入口SO2和SO3的濃度以及出口SO3的濃度，很容易計(jì)算出SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率，它是考核催化劑選擇性催化能力的重要指標(biāo)。

1.6 影響系統(tǒng)壓力損失的因素

系統(tǒng)壓力損失受機(jī)組負(fù)荷、催化劑層堵灰情況等的影響。

2 測(cè)量方法

一般采用網(wǎng)格法測(cè)量SCR反應(yīng)器的煙氣溫度、流速及NO的分布情況，即在現(xiàn)有測(cè)孔條件下，對(duì)每個(gè)測(cè)孔再進(jìn)行多個(gè)點(diǎn)的測(cè)量。常采用的測(cè)量?jī)x表有熱電偶、微壓計(jì)和NOx分析儀。

氨逃逸的測(cè)量在SCR裝置出口處進(jìn)行，常用采樣系統(tǒng)如圖1所示，使用分光光度法即可分析樣品中NH3的含量。

圖1 氨逃逸測(cè)量取樣系統(tǒng)示意

SO2含量的測(cè)量一般采用代表點(diǎn)法，在SCR裝置入口進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量?jī)x器為SO2分析儀。SO3含量的測(cè)量也采用在SCR裝置入口和出口用代表點(diǎn)法進(jìn)行取樣，取得的樣品使用分光光度法分析其中的SO3含量。試驗(yàn)取樣系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 三氧化硫測(cè)量取樣系統(tǒng)示意

在SCR反應(yīng)器入口和出口的煙道橫截面積變化可以忽略不計(jì)時(shí)，SCR反應(yīng)器系統(tǒng)的壓力損失通過(guò)測(cè)量煙道靜壓就可得到。

3 試驗(yàn)誤差分析

由于煙氣的溫度分布、流速分布、NO分布和系統(tǒng)壓力損失均使用精準(zhǔn)的儀表進(jìn)行網(wǎng)格法測(cè)量，誤差相對(duì)較小，因此，只針對(duì)在氨逃逸和三氧化硫取樣分析過(guò)程中存在的誤差進(jìn)行分析。

3.1 取樣槍的影響

取樣槍主要由過(guò)濾頭、槍體和加熱設(shè)備組成。

過(guò)濾頭對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的主要影響:為防止飛灰隨取樣氣體進(jìn)入取樣瓶?jī)?nèi)，過(guò)濾頭內(nèi)需填充物理、化學(xué)性質(zhì)都比較穩(wěn)定且耐高溫的材料(常采用石英棉)，但填充物的多少直接影響取樣槍頭的嚴(yán)密性。當(dāng)填充物過(guò)多時(shí)，過(guò)濾頭的空隙緊密，飛灰在填充物表面聚集后會(huì)堵塞取樣槍頭，使槍體內(nèi)負(fù)壓快速升高，煙氣取樣效率降低，甚至難以進(jìn)行取樣，而槍體負(fù)壓過(guò)高也易使外部空氣通過(guò)連接頭進(jìn)入采樣系統(tǒng)，從而增大試驗(yàn)誤差;當(dāng)填充物較少時(shí)，飛灰易隨煙氣進(jìn)入取樣瓶，飛灰自身攜帶的NH3或SO3也會(huì)隨之進(jìn)入，從而使煙氣中NH3或SO3含量的測(cè)量結(jié)果偏大。

槍體對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的主要影響:槍體內(nèi)應(yīng)能達(dá)到煙氣無(wú)凝結(jié)或無(wú)析出物的溫度以上且盡量縮小其與煙道內(nèi)煙氣的溫差，防止因煙氣中的NH3或SO3附著于析出物上(停留于槍體內(nèi))而增大測(cè)量誤差，煙氣加熱溫度一般設(shè)置在300℃以上;此外，由于取樣過(guò)程中要測(cè)量取樣的煙氣量，煙道內(nèi)的壓力又為負(fù)壓，因此，槍體內(nèi)的空氣在一定程度上減小了實(shí)際煙氣的取樣量。為減小此測(cè)量誤差，應(yīng)盡量縮小取樣槍的槍體體積并增大煙氣取樣量或進(jìn)行預(yù)抽氣。預(yù)抽氣是在煙氣通過(guò)吸收瓶前先用取樣槍對(duì)煙道進(jìn)行抽氣，去除槍體內(nèi)的空氣，此過(guò)程還有利于NH3或SO3在槍體內(nèi)預(yù)先達(dá)到吸附平衡，使取樣煙氣中的NH3或SO3能夠更多通過(guò)吸收瓶，進(jìn)一步減小試驗(yàn)誤差。

此外，取樣槍尾部與吸收瓶的連接管應(yīng)盡量短，防止煙氣中的水分?jǐn)y帶NH3或SO3在連接管內(nèi)凝結(jié)析出而增大試驗(yàn)誤差。

3.2 吸收液的影響

在氨逃逸測(cè)量過(guò)程中，一般采用稀硫酸溶液進(jìn)行二級(jí)吸收。稀硫酸溶液的濃度應(yīng)根據(jù)實(shí)際煙氣中的NH3含量、取樣煙氣量和吸收液用量來(lái)確定。當(dāng)吸收瓶容積為250mL時(shí)，每瓶的吸收液用量在60～80 mL為宜。在該用量及正常噴氨運(yùn)行工況下，稀硫酸溶液摩爾濃度為0.05 mol/L即可滿足試驗(yàn)要求。以每瓶裝60 mL摩爾濃度為0.05 mol/L的稀硫酸溶液、取樣煙氣量為300 L計(jì)，2個(gè)吸收瓶?jī)?nèi)的吸收液共可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中摩爾分?jǐn)?shù)在0～1.8‰之間NH3的吸收。

3.3 吸收裝置的影響

在SO3取樣測(cè)量過(guò)程中，吸收裝置采用的是干燥、潔凈的蛇形管，并將其放在水浴鍋內(nèi)，水浴鍋溫度設(shè)置在60～65℃(方法參見GB/T 21508—2008《燃煤煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》)。由于SO3具有強(qiáng)氧化性，遇水會(huì)發(fā)生反應(yīng)并放出大量熱，遇濃硫酸會(huì)生成發(fā)煙硫酸等特殊性質(zhì)，因此，取樣時(shí)蛇形管不潔凈(特別是含有能與SO3反應(yīng)的物質(zhì))或含有水分，會(huì)造成SO3取樣的損失。

3.4 抽氣速度的影響

根據(jù)雙膜理論，氣、液接觸反應(yīng)首先要經(jīng)歷氣相中的吸收質(zhì)通過(guò)相際傳遞到液相的過(guò)程，即使流體的主體中已呈湍流，氣、液相際兩側(cè)仍分別存在穩(wěn)定的氣體滯流層(氣膜)和液體滯流層(液膜)。因此，氣、液反應(yīng)效率受氣、液接觸時(shí)間的限制，氣、液接觸時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)越充分，反之越不充分。在對(duì)NH3取樣的試驗(yàn)過(guò)程中，抽氣泵的抽氣速度直接影響氣、液接觸時(shí)間，進(jìn)而影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。在SO3取樣過(guò)程中，抽氣速度過(guò)快則會(huì)降低SO3在蛇形瓶?jī)?nèi)的停留時(shí)間，使其難以充分凝結(jié)析出。

此外，在抽氣取樣過(guò)程中，由于氣體通過(guò)吸收瓶時(shí)會(huì)使吸收液發(fā)生劇烈湍流，從而易發(fā)生氣、液夾帶現(xiàn)象，而且抽氣速度越快，氣體夾帶的液體越多。因此，抽氣速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致部分吸收液隨煙氣從吸收瓶中夾帶而出，增大試驗(yàn)測(cè)量誤差。以250 mL取樣瓶為例，抽氣速度在15 mL/min左右為宜。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段，SCR脫硝反應(yīng)裝置在國(guó)內(nèi)的火電廠中得到了廣泛應(yīng)用，脫硝性能考核試驗(yàn)成為判斷SCR裝置運(yùn)行狀態(tài)的重要手段，也是提高SCR裝置運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要依據(jù)，因此，有必要提高脫硝試驗(yàn)的科學(xué)性，降低試驗(yàn)過(guò)程中存在的誤差。

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