SCR反應器運行中存在的問題及對策

馬占海

（華能吉木薩爾發電有限公司，新疆 昌吉 831700）

0 前言

目前，國內大容量高參數的燃煤發電機組基本采用SCR 脫硝裝置，催化劑常規采用“2+1”層布置。SCR 脫硝反應器在運行過程中經常會出現反應器入口流場紊亂、氮氧化物濃度分布不均等問題，導致SCR 反應器內部噴氨量控制不精確和反應器出口氮氧化物濃度分布不均勻，同時為了使氮氧化物不超標排放，還會導致反應器出口氨逃逸量增大等后果，加重下游空預器的腐蝕堵塞問題，影響機組正常安全運行[1]。

1 脫硝系統介紹

某廠SCR 脫硝工藝設置了3 層催化劑，使用尿素作為還原劑，并采用尿素熱解工藝將尿素熱解為氨氣噴氨脫硝反應器，脫硝裝置入口設計NOx濃度不超過350mg/m3（標態、干基、6%O2），出口設計NOx濃度不超過50mg/m3（標態、干基、6%O2），符合國家超凈排放要求。

氨氣噴射系統：1、2 號機組氨氣噴射裝置為“渦流型AIG”。從尿素熱解爐出來的供氨母管一分為二進入兩臺反應器。每臺反應器的供氨母管分成6 個噴氨支管，每根氨氣支管上有4 個噴嘴，每個噴氨管支管配有一個手動蝶閥，插入煙道部分的4 個噴嘴分為兩組，分別對應煙道的不同深度。

目前常見的噴氨裝置有三種類型，即格柵型AIG、混合型AIG 和渦流型AIG，它們主要的區別是氨氣管的數量和噴嘴的數量。舉例來說，格柵型的AIG：使用大量氨氣管交叉伸入煙道，在每根管子上裝設小噴嘴，噴嘴數超過1000 個，噴嘴下游布置局部混合的靜態混合器?；旌闲虯IG：使用較少的氨氣管均勻伸入煙道，每根管子上安裝的噴嘴數量較少，約100 個，每個噴嘴下游設置能夠實現較大范圍混合的靜態混合器。渦流AIG：利用湍流發生器（三角翼型與圓盤型）使煙氣在煙道截面上大范圍混合，口徑很大的氨噴嘴對著湍流發生器噴氨，有限幾個噴嘴就能使整個煙道內的NH3/NO 摩爾比分布均勻，噴嘴數僅需大約10 個[2]。均勻噴氨條件下的混合性能：混合型AIG>格柵型AIG>渦流型AIG。噴氨優化調節性能：格柵型AIG>混合型AIG>渦流型AIG。總體而言，采用格柵型AIG 的工程應用業績較多，工程投資與后續運維相對更有利，也有利于后續脫硝噴氨系統的優化調節[3]。

2 脫硝系統存在的問題

2.1 SCR 反應器出口氮氧化物偏差大

該文通過調取1 號機組運行數據發現SCR A、B 側出口和FGD 出口氮氧化物濃度的歷史數據，通過對比發現SCR出口A 側和B 側氮氧化物濃度與煙囪入口氮氧化物濃度有較大偏差，SCR 出口A、B 側NOx 濃度偏差較大。

2.2 SCR 反應器出口氨逃逸值大，空預器堵塞嚴重

機組運行時需要保證出口氮氧化物排放達標，因此實際運行中普遍存在局部區域的過量噴氨，直接導致大量的氨逃逸，并生成硫酸氫銨結晶，導致空預器的堵塞（如圖1 所示）、腐蝕以及下游除塵器故障等系列問題，嚴重影響機組的安全穩定運行。

圖1 空預器堵塞和氯化銨結晶

3 原因分析

3.1 催化劑磨損嚴重，局部煙道積灰

在SCR 脫硝系統運行過程中，橫梁結垢中的防灰三角結垢突出部分對氣流產生分流作用，導致大量氣流攜帶飛灰顆粒物聚集在橫梁結垢迎風側。煙氣氣流遇到橫梁結構后在催化劑表面形成含塵高速氣流，劇烈沖刷催化劑表面，使催化劑出現嚴重磨損。催化劑的多孔結構使其易被堵塞，造成反應器局部煙道積灰嚴重[3]。催化劑的積灰和磨損主要受流場和灰場的影響，無法通過噴氨優化調整得到改善。但催化劑的狀態會影響噴氨調整的結果，如果催化劑狀態很差，僅靠噴氨優化改善SCR 反應器的運行效果是有限的。

3.2 氨逃逸量大，空預器堵塞嚴重

由于反應器入口處氮氧化物分布不均勻、催化劑磨損和堵塞等問題，同時也為保證出口氮氧化物排放達標，因此運行中經常會出現均布噴氨量過大的情況，導致局部氨逃逸量增大。運行導則要求氨逃逸量不超過3mg/L，現場測試SCR反應器出口氨逃逸值為10mg/L～15mg/L，遠遠超過標準控制值。大量的氨氣和煙氣中的SO3反應，生成硫酸氫氨或硫酸氨，其反應如下：NH3+SO3+H2O=NH4HSO4，2NH3+SO3+H2O=（NH4）2SO4。

大量生成的硫酸氫銨在空預器換熱元件上黏結堵塞，使空預器阻力增大，導致引風機出力增大。如果引風機裕量不足，會導致高負荷帶不上，甚至出現引風機喘振失速等一系列問題，嚴重時會導致機組非停，給機組運行帶來極大的安全隱患。同時也可能會在空氣預熱器出口至脫硫系統入口之間的除塵器、引風機、脫硫系統入口煙道等區域產生氯化銨結晶，影響機組安全運行。

3.3 噴氨量不均

傳統脫硝系統的整個脫硝反應區域只有兩個自動閥來控制，DCS 自動調節控制通過控制兩個自動調節閥來控制反應器A/B 側的噴氨量，誤差較大，不能精確地控制每個區域的噴氨量。同時由于反應器內部催化劑存在堵塞、坍塌的現場，會導致氨氣和氮氧化物的反應效率在不同區域存在偏差，進而引發反應器出口氮氧化物濃度不均、局部噴氨量過大、氨逃逸量大的問題。為了確保NOx排放不超標，電廠通常采用過量噴氨方式，導致運行中氨逃逸大、空預器堵塞嚴重、引風機功耗大以及催化劑中毒等問題嚴重。

4 治理措施

某廠1 號機組因空預器嚴重堵塞，大修期間更換空預器換熱元件后，進行了熱態噴氨優化調整試驗，重新調整脫硝AIG 各支路閥門開度，目的是縮小SCR 反應器A 側B 側NOx 濃度顯示值偏差、縮小脫硝側與煙囪總排出口NOx 濃度顯示值偏差以及降低反應器出口逃逸氨的量。

噴氨優化熱態調整試驗前，SCR 脫硝反應器A 側入口NOx濃度最大值為354mg/m3，最小值為296mg/m3，NOx濃度分布相對標準偏差為5.05%；SCR 脫硝反應器B 側入口NOx濃度最大值為339mg/m3，最小值231mg/m3，NOx 濃度分布相對標準偏差為8.84%。

脫硝SCR 反應器噴氨優化調整試驗前，SCR 反應器出口氮氧化物含量偏高且相對標準偏差較大，出口氨逃逸量較大。SCR 反應器出口NOx 濃度如圖2 所示。

圖2 SCR 反應器優化調整前氮氧化物和氨逃逸分布

SCR反應器兩側側出口截面的NOx濃度分別為64.9mg/m3、42.5mg/m3，A 側出口NOx濃度分布相對標準偏差為36.6%，B側出口NOx濃度分布相對標準偏差為30.4%，反應器出口NOx濃度分布均勻性較差。反應器A 側入口NOx 濃度明顯高于B側，A 側出口NOx濃度和氨逃逸也高于B 側，A、B 兩側出口NOx濃度整體相對標準偏差為41.5%，A、B 兩臺反應器存在明顯的整體不均勻性，氨逃逸量明顯過大，SCR 脫硝反應器系統運行狀況較差。

該廠在機組100%負荷穩定運行狀態下通過調整SCR脫硝反應器噴氨支管上的20 個手動閥門來對各區域噴氨量進行調節。具體為先對廠內CMES 測量儀表的數值進行比對校驗，通過校驗測試發現脫硝系統在線CMES 的測量數據比實際值偏大，導致DCS 計算噴氨量偏大，實際噴氨量增大，氨逃逸量增大，易造成下游空預器結垢堵塞。對在線CMES 儀表進行在線校驗后，確認在線數據相對準確。在機組100%負荷穩定運行并保持相同燃燒煤種的情況下，采用便攜式紅外煙氣分析儀表對SCR 反應器進出口NOx 濃度和氨逃逸量進行反復精確的測量，采用多點測量后計算平均值的方法測試進出口氮氧化物濃度。在熱態調整試驗中，機組應保持運行穩定，鍋爐不進行燃燒調整，并保持相同的燃燒工況。在多個測量孔內測定多組數據后，比對各個測孔所測得的NOx濃度和氨逃逸量。通過計算測試結果調整AIG 根據現場檢測的結果，可采用AIG 噴氨管的自動流量調節閥的自動開度進行控制，對AIG 的各干支管噴氨量自動加以調節。在每次調整完AIG 噴氨管的手動閘門的開度值后，必須再次計算出SCR 反應器的出口煙氣各測孔氮氧化物的濃度值和氨逃逸量，利用計算出的各出口測孔煙氣氮氧化物濃度值來調整SCR 反應器進口煙氣各噴氨管流量。通過多次調整和數據測量對比，調整后的SCR 反應器出口NOx 濃度和氨逃逸濃度如圖3 所示。

圖3 優化調整試驗后的氮氧化物與氨逃逸分布情況

經過多次優化調整試驗后，A 側反應器出口NOx濃度均值為34.9mg/m3，B 側反應器出口NOx濃度均值為35.5mg/m3，且反應器各測孔處氮氧化物濃度比較均勻，A、B 兩側反應器出口NOx 濃度的整體不均衡也得到了明顯改善，整體相對標準偏差從41.5%降至11.8%，逃逸氨分布均勻，且氨逃逸量有較明顯的下降。

5 技術展望

通過噴氨優化調整試驗可以有效調整、優化SCR 反應器的運行狀況，但經過一段時間的運行后，由于催化劑的磨損及堵塞、反應器內的流場變化等，SCR 反應器依然會出現出口氮氧化物濃度分布不均、氨逃逸值偏高導致空預器堵塞、除塵器效率下降等影響設備安全穩定運行的情況，為徹底解決脫硝系統存在的問題，需要對脫硝系統進行智能噴氨優化改造。

5.1 流場優化改造

根據現場試驗測試數據分析，較多的電廠需要進行SCR反應器入口流場優化。SCR 反應器設計的要求在實際工程中往往達不到，存在一定的偏差，同時由于噴氨優化技術改造只能解決SCR 脫硝反應器噴氨不均勻或程度較輕的流場不均勻問題，因此需要診斷流場分布情況，實施流場優化改造以徹底解決問題。通過在脫硝入口增加導流板、擾流器等裝置，對煙道流場中的速度場、濃度場進行優化；通過模擬計算優化原煙道導流板，安裝大尺度煙氣混合器。在SCR 反應器入口安裝煙氣混合器或者采用煙道流場建模分析結果優化SCR 反應器入口煙氣導流板，以實現SCR 反應器入口氮氧化物及粉塵的均勻性。

5.2 分區同步測量

由于流場分布不均導致SCR 反應器內氮氧化物分布不均，單點的氮氧化物測量結果偏差很大，無法有效指導噴氨量的計算及SCR 的運行調整，因此需要使用分區同步測量來對SCR 反應器的測量系統進行優化。在每側SCR 反應器出口位置新增一套NOx 分區采樣系統，兩側煙道合計12 個分區，并配備多個加熱采樣探頭。采樣探頭過濾精度不小于2μm，采樣探頭應具備防磨、防堵、反吹等功能，安裝位置應具有代表性。每路加熱采樣探頭通過加熱管線進行傳輸，防止煙氣冷凝。根據現場測孔位置確認管線的長度，現場安裝煙氣多點快速切換裝置，對多個分區進行快速切換采樣。每個分區采樣分別進入NOx 在線分析系統，并進行快速循環測量分析。SCR 反應器自動控制采用反應器出口NOx 設定值控制方式進行反饋校正控制，經PID 控制器運算后生成噴氨閥門開度的調節指令，自動調整噴氨量，以保證出口NOx濃度定值排放，優化噴氨[4]。

5.3 智能噴氨控制優化

智能噴氨控制優化的整體思路是在線測點改造和流場優化后的基礎上，根據催化劑活性檢測數據進行在線氮氧化物快速測量和氨逃逸實時預測技術優化，將實時測量的SCR反應器進出口氮氧化物濃度、煙氣量、溫度、氨逃逸測量值以及根據負荷等變化模擬的預測值等數據輸入上位機的噴氨控制系統，經過邏輯分析控制噴氨流量調節閥，達到最優的噴氨量調節。噴氨量根據煙氣量及反應器出口氮氧化物濃度設定值等公式計算得出，通過多點采用樣的測量結果分析區域氮氧化物濃度和需要的噴氨量，通過分區調平閥和支管調節閥進行噴氨量的細微精準調節，實現各分區適量噴氨，保證氮氧化物排放達標的同時將氨逃逸量控制在合理范圍。

脫硝系統DCS 自動控制邏輯改造主要是對原前饋+弱PI 煙氣脫硝控制系統進行改進，即以DMC 算法取代原控制器，得到的新控制系統如圖4 所示。

圖4 基于DMC 的煙氣脫硝控制系統結構圖

新的控制系統中，根據出口NOx 濃度的設定值、當前測量值以及當前煙氣流量可以計算出需要去除的NOx 數量。根據上文構建的噴氨量與去除NOx 數量間的動態模型，控制器可以優化出當前時間的最佳噴氨量，將其施加在脫硝對象后可獲得出口NOx 濃度的變化。由于控制器具有記憶和預測特性，在其優化過程中會綜合既往噴氨量對未來NOx 濃度變化的影響，因此當煙氣流量與煙氣中的氮含量出現擾動變化時，控制器能有效抑制這些擾動對輸出的影響，來實現DCS 自動控制的有效性。

6 結論

多數電廠SCR 反應器在運行中存在較多問題。氮氧化物濃度分布不均、氨逃逸濃度高影響了后續空預器、除塵器等下游設備的安全穩定運行。SCR 反應器運行中的問題會導致空預器堵塞、結垢，嚴重的還會影響機組帶負荷能力，因此SCR 反應器的運行優化改造勢在必行。不少電廠已經開始或者已完成SCR 反應器的優化改造，取得了較為顯著的效果。通過煙道流場優化提高煙氣中氮氧化物和粉塵分布均勻性；通過在線取樣測點改造和氮氧化物快速測量技術提高取樣代表性，縮短測量結果滯后時間；使用智能精準噴氨控制、催化劑全壽命管理等技術手段指導噴氨優化，使反應器運行效果有顯著提升，氨逃逸量能夠控制在合理范圍內，有效減少了下游設備的堵塞、結垢問題，保障了機組的安全穩定運行。