某電廠脫硝系統氨逃逸故障分析與處理

李 棟,強東盛,陳崇明,郁金星,韓忠閣

(國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021)

0 引言

選擇性催化還原(SCR)脫硝技術因其投資低,工藝過程簡單,脫除氮氧化物(NOx)的效率較高,不易造成二次污染等優點被燃煤電廠廣泛應用[1-2]。SCR 法通常采用液氨或尿素作為還原劑與煙氣中的NOx發生還原反應,由于氨在催化劑上的反應停留時間有限,通常會有極少量的氨逃逸,多數機組的氨逃逸設計值都控制在2.28 mg/Nm3以內[3]。然而,在實際運行中,由于反應器入口煙氣流場、濃度場等參數大范圍波動導致噴氨不匹配或者催化劑壽命下降等原因,不少機組經常出現氨逃逸過高問題[4]。氨逃逸質量濃度過高時,會造成系統還原劑耗量升高,增加系統的運行成本;另外極易與煙氣中的三氧化硫發生反應生成高黏性硫酸氫銨,其很容易在空氣預熱器冷端、除塵器極線等位置凝結,吸附大量飛灰,從而導致鍋爐尾部設備腐蝕或堵塞,影響機組運行安全性和穩定性[5-8]。

本文以某電廠1號機組脫硝系統為例,對氨逃逸故障進行診斷,通過現場測試脫硝出口煙氣溫度、NOx質量濃度、氨逃逸質量濃度分布,以及分析歷史運行情況,探索氨逃逸質量濃度過高的原因及解決辦法。

1 脫硝系統概況

某電廠1號機組裝機容量為600 MW,鍋爐型式為亞臨界參數汽包鍋爐,一級中間再熱、單爐膛、平衡通風,采用四角切圓燃燒方式。SCR 脫硝裝置不設置煙氣旁路,包括煙氣系統、聲波吹灰系統和氨噴射系統。為滿足機組調峰狀態下脫硝投入的要求,對省煤器進行了分級改造,將脫硝系統SCR 入口的省煤器割除27%移至SCR 出口,因此脫硝反應器布置在高溫和低溫省煤器中間。脫硝還原劑采用液氨,還原劑的貯存、制備和供應系統為1、2號鍋爐共用。脫硝裝置設計壽命為30年,年利用小時數為5 500 h,脫硝系統及裝置可用率不小于98%。脫硝反應器內現裝有三層催化劑,系統的主要設計參數如表1所示。

表1 1號機組脫硝系統設計參數

2 測試過程及方法

為了能夠反映脫硝系統實際性能,測試在氨逃逸故障頻發的50%ECR 工況下進行,試驗日期為2022年2月28日。試驗時調整噴氨支路手動閥使脫硝入口NOx分布均勻。測試參數包括煙氣溫度、NOx、O2、NH3的質量濃度等,均采用網格布點法,網格點布置參照GB/T 16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》。煙氣溫度測試位置設置在反應器入口,其他項目測試位置均設在脫硝系統出口截面。

煙氣溫度采用Fluke F 52熱電偶進行檢測;NOx、O2等煙氣成分測試采用MRU -MGA5+型便攜式紅外煙氣分析儀檢測;NH3質量濃度測試參考DL/T 260—2012《燃煤電廠煙氣脫硝裝置性能驗收試驗規范》,利用兩級稀硫酸吸收液吸收后,使用靛酚藍分光光度法分析NH4+質量濃度,根據采氣體積,計算得到煙氣中NH3質量濃度。NOx和NH3同一時間進行測量。

3 分析診斷

3.1 煙氣溫度分析

溫度是影響脫硝催化劑反應活性的關鍵參數[9]。當煙氣溫度過低時,一方面會降低NH3和NOx的反應速率,減小脫硝率;另一方面NH3會與煙氣中的SO3發生反應生成粘性較大的NH4HSO4,其粘附在催化劑表面會堵塞催化劑的孔道和微孔,降低催化劑的活性。50%ECR 工況下,反應器入口煙氣溫度分布情況如圖1 所示?？梢钥闯?A 側煙氣溫度范圍為323~338 ℃,且從A1-A5測孔有逐漸遞減趨勢;B 側煙氣溫度范圍為309~323℃,且各位置與A 側相比溫度均略有下降。雖然兩側反應器的溫度場分布有所不同,但是最低溫度均高于300 ℃的最低允許噴氨溫度,說明低負荷工況下煙氣溫度不會成為制約脫硝系統運行效果的主要因素。

圖1 1號機組脫硝入口煙氣溫度分布

3.2 NO x 質量濃度場測試分析

為掌握兩側反應器出口真實NOx質量濃度分布情況,進行了脫硝出口NOx質量濃度場測試。每側反應器出口均設置了5個測孔,面向爐膛從左至右編號為1—5,每個測孔選擇3個深度進行布點。NOx質量濃度摸底測試結果如圖2所示。可以看出,1號機組A 側反應器出口NOx質量濃度(折算至6%O2)范圍為14~30 mg/m3;其中,A2—A5測孔NOx質量濃度范圍為25~30 mg/m3,偏差相對較小;低值均出現在A1 測孔。B側反應器出口NOx質量濃度(折算至6%O2)范圍為7~12 mg/m3,雖然各位置的質量濃度偏差較小,但是與A 側相比整體質量濃度相對較低,說明該側反應器存在噴氨量過大問題,將導致出口均具有較高的氨逃逸質量濃度。

圖2 1號機組脫硝出口NO x 質量濃度分布

3.3 氨逃逸測試分析

1號機組脫硝系統氨逃逸測試分析,A 側實測氨逃逸量為2.52~6.73 mg/m3(6%O2),平均為4.23 mg/m3;在線數值為2.49~2.88 mg/m3,平均為2.64 mg/m3?？梢钥闯?A 側A1—A3測孔的氨逃逸均超過2.28 mg/m3的設計值[10],且氨逃逸質量濃度最高值出現在A1 測孔,與該位置NOx質量濃度最低值相對應。在A2、A3測孔實測NOx平均質量濃度(6%O2)均在25 mg/m3左右條件下,氨逃逸仍然出現超標的情況,表明A 側反應器可能存在催化劑整體活性不足的問題。B側實測氨逃逸量為5.35~10.74 mg/m3,平均為9.03 mg/m3;在線數值為3.48~4.06 mg/m3,平均值為3.8 mg/m3。可以看出,B側所有位置的氨逃逸質量濃度均較高,且都超過2.28 mg/m3的設計值。結合該側各位置實測NOx平均質量濃度(6%O2)最低僅為7.52 mg/m3,再次證明氨氮摩爾比分布不均是造成氨逃逸過高的主要原因。具體數據見表2、表3。

表2 1號機組脫硝系統A側NH3 質量濃度 mg/m3

表3 1號機組脫硝系統B側NH3 質量濃度 mg/m3

SCR 系統中氨分布不均勻,造成部分區域氨不足,使煙氣中的NOx不能充分反應,導致這部分區域的脫硝效率低;部分區域氨過量,雖然使煙氣中的NOx充分反應,但是因反應的氨仍然很大,造成極大的浪費,同時氨逃逸量極高,最終導致SCR 脫硝系統中氨的浪費,脫硝效率降低[11- 13]。

3.4 運行數據分析

現場查看了1號機組2022年2月21—27日的低負荷運行曲線,見圖3,并與2號機組進行了比對。由圖3 可以看出,1 號機組負荷在212~226 MW 波動,脫硝入口NOx質量濃度存在大幅度波動情況,最高值達到了310 mg/m3,中間值也能達到214 mg/m3。在脫硝入口NOx質量濃度波動幅度超過100 mg/m3時,脫硝噴氨自動或手動都很難保證適量的氨噴射量,極易造成過噴或欠噴情況的出現[14- 16]。

圖3 1號機組2022年2月24日運行曲線

1、2號機組均在240 MW 左右工況下的運行情況對比如圖4和圖5所示。可以看出,1號機組工況為239 MW 時,A、B 兩側脫硝入口NOx質量濃度均在200 mg/m3左右,氨氣噴射量在28kg/h;2號機組工況為240 MW 時,A、B兩側脫硝入口NOx質量濃度均在120 mg/m3左右,氨氣噴射量在13~18 kg/h。以上數據說明,1號機組入口NOx質量濃度較高,也是造成氨氣噴射量增加,進而反應器出口氨逃逸超標的原因。

圖4 1號機組2022年2月22日運行曲線

圖5 2號機組2022年2月22日運行曲線

4 結論與建議

本文通過對脫硝入口煙氣溫度,脫硝出口NOx質量濃度場、NH3質量濃度進行測試,并結合1號機組低負荷運行曲線,對1號機組氨逃逸現象進行分析,得出以下結論與建議。

4.1 結論

1)1號機組脫硝系統出口實測質量濃度最低值為13.43 mg/m3,出現在A1測孔;斷面氨逃逸平均值為4.23 mg/m3,超過2.28 mg/m3的設計值。

2)1號機組脫硝系統出口B側各孔實測NOx質量濃度顯著低于CEMS數據,實測質量濃度(6%O2)最低值僅為6.53 mg/m3,氨逃逸平均值達9.03 mg/m3,遠高于2.28 mg/m3的設計值。結果說明入口氨氮摩爾比分布不均以及部分區域氨量過噴是造成脫硝出口氨逃逸超標的主要原因。

3)1號機組脫硝入口NOx質量濃度在低負荷存在較大波動,且平均質量濃度遠高于2號機組,也是造成1號機組噴氨量高和氨逃逸超標的原因。

4.2 建議

1)優化1號機組鍋爐燃燒配風,在降低入口NOx質量濃度的同時,減少NOx質量濃度波動幅度,提升氨量噴射穩定性。

2)在保證入口NOx質量濃度穩定性以及固定負荷下,調整脫硝反應器入口氨氮摩爾比分布,減少脫硝出口低NOx濃度情況的出現。

3)評估催化劑性能,掌握催化劑剩余壽命,并確定在氨逃逸不超過2.28 mg/m3的條件下,脫硝裝置出口的最低NOx質量濃度,避免脫硝裝置超效率運行。