SCR 脫硝系統運行與維護研究

辛中強

（秦皇島發電有限責任公司運行部，河北 秦皇島 066000）

1 前言

根據環保排放要求，某公司4 臺機組分別于2012 年、2013 年相繼進行了脫硝項目改造，2015 年又按照環保超低排放要求進行脫硝提效改造，采用選擇性催化還原法（SCR）技術。SCR 脫硝系統經過一段時間的運行逐漸暴露出一些問題，而運行問題往往不是單因素造成的，需從燃煤煤質、系統設計安裝、脫硝設備狀況、催化劑安裝、催化劑質量及運行維護等方面進行分析，而運行維護的重點包括燃燒調整、SCR 投運溫度的選擇、噴氨量控制、吹灰方式選擇等。

2 燃燒調整

根據NOx生成機理，煤炭燃燒過程中產生的NOx量與煤炭燃燒方式、燃燒溫度、過量空氣系數和煙氣在爐內停留時間等因素密切相關，NOx生成機理包括熱力型、燃料型和快速型。而低氮燃燒是燃煤鍋爐氮氧化物排放控制的首選技術，根據鍋爐類型、燃用煤種等條件，優選低氮燃燒技術。低氮燃燒技術包括低氮燃燒器、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒和煙氣再循環等。下面是不同類型NOx生成量與溫度關系曲線，由圖1 可以看出反映低于溫度1350℃時NOx生成量很小，但隨著反映溫度的升高，NOx生成量顯著增加。機組運行期間，風量盡可能維持低限運行，制粉系統增加下層出力，低負荷時注意兩臺引風機出力均衡。負荷降低時，由于短時空氣過剩，會造成SCR 入口NOx濃度突升，調整時要及時降低風量。降至目標負荷后，為避免SCR 入口NOx濃度偏高，根據負荷情況及時停止備用磨。

2.1 燃煤成分

燃煤揮發成分的各種元素比會影響燃燒過程中NOx生成量，煤種O/N 比值越大，NOx排放量越高，所以合理選擇煤種是降低NOx排放的主要指標。我公司燃煤大量選用神華煤，通常各臺爐SCR 入口NOx濃度均控制在350mg/m3以下。一期70%、二期62%以上負荷，SCR入口NOx濃度控制在250 ～290mg/m3；低負荷SCR 入口NOx濃度會升高30mg/m3。

2.2 過量空氣系數和燃燒溫度

降低過量空氣系數，在一定程度上會起到限制氧濃度的目的，維持足夠的停留時間，使燃料中的氮不易生成NOx，而且使部分生成NOx經過均相或多相反應而被還原，采用此方法可有效降低NOx排放量15%～20%。運行中在條件允許情況下，適當減少鍋爐總風量，從而降低過量空氣系數。下面是熱力型NOx生成量與不同過量空氣系數和停留時間的關系曲線,由圖2 可以看出NOx生成量與爐膛內停留時間和氧濃度的平方根成正比，1t=0.01s；2t=0.1s；3t=1s；4t=10s。

圖2

2.3 燃燒溫度

降低爐內燃燒溫度，可有效減少NOx排放量。燃料中NOx是在燃燒過程中熱分解且氧化生成的，生成量隨溫度的升高而顯著增加。

（1）采用低氮燃燒技術，最大限度抑制NOx的生成。（2）運行中合理使用OFA 風。（3）盡量減少上層制粉系統運行時間，煤量較低時，盡量減少上層制粉系統燃煤量。（4）制粉系統停運后及時關閉出口門，減少一次風總量，二次風量隨之增加，一二次風配比變化有利于降低NOx的生成。

3 SCR 投運溫度的控制

SCR 投運溫度一般由催化劑廠家根據燃用煤種含硫率和SO2/SO3轉化率確定，運行中要嚴格執行，SCR 投運溫度（300 ～420℃）超出規定范圍將對催化劑本身及相關設備造成嚴重危害。

3.1 低溫運行

低溫運行時催化劑活性差，化學反應速度慢，為滿足脫硝效率要求，只能通過增大噴氨量的方法，從而氨逃逸隨之增加，氨逃逸的產生促使硫酸氫氨的生成，從而導致催化劑、空預器的堵塞，增加煙道阻力，大大降低了機組安全性和經濟性，另外，長期低溫運行也大大降低了催化劑的使用壽命。

3.2 超溫運行

超溫運行時，催化劑發生化學性質變化，催化劑活性降低，嚴重時導致催化劑燒損。

3.3 運行維護

在150℃以下，為防止催化劑表面生成凝結水，升溫速度不能低于5 ～10℃/min，超過150℃升溫速度應不低于60℃/min。

（1）SCR 投入噴氨溫度不能低于300℃。

（2）SCR 運行溫度不可超過420℃。

（3）SCR 停運時，催化劑溫降不可超過60℃，以免溫度急劇下降導致催化劑開裂。

（4）溫度低于305℃，及時停止噴氨。

（5）為完全去除催化劑內殘氨以及防止溫度低而產生的催化劑表面吸附，因保持新鮮空氣注入5 ～10 分鐘。

（6）SCR 停運期間，要保持催化劑干燥狀態。

（7）SCR 如長時間低溫運行，應定期提高溫度運行5h 以上，以便硫酸氫氨得以分解。

（8）SCR 要選擇最佳運行溫度區間，下面是催化劑活性與溫度關系曲線,由圖3 可以看出，300 ～400℃催化劑有著較高的活性，能有效保證NOx的脫除效率。

圖3

4 運行控制

噴氨量的控制是SCR 運行最重要任務，氨量低不能滿足NOx排放要求，噴氨量過大又導致催化劑本體及空預器堵塞以及氨氣的損失，因此，要找出影響氨用量的因素，以便合理控制噴氨量。

4.1 影響噴氨量的因素和控制方法

（1）煙氣流場不均勻，SCR 入口NOx分布不均，導致噴氨量局部過量，氨逃逸增加，因此反應器設計要進行充分的數模和物模試驗，首次投運要進行性能試驗和調平試驗，每臺SCR 裝置每年至少進行一次性能評估，并建立跟蹤數據庫，因SCR 改造投運時，NOx濃度與NH3濃度比例存在不均勻性，氨逃逸濃度升高，因此必須對噴氨的均勻性進行優化，如根據流場設計分區，改變噴嘴型式、形狀、尺寸，噴口速度等提高混合均勻度，即將整個SCR 催化裝置按照噴氨格柵進行縱向分區，按照每個分區的煙氣氣氛濃度分布數據，調節噴氨量。機組負荷變化導致煙氣流場的變化，脫硝SCR 出口與煙囪入口NOx濃度會發生較大變化，SCR 兩側噴氨量出現偏差，單側NOx濃度即使降得很低，也難保證煙囪入口合格，為保證煙囪入口NOx濃度小時均值不超標，極力降低另一側NOx濃度，在安全界限內要短時犧牲氨逃逸。

（2）氮氧化物控制。機組運行期間，風量盡可能維持低限運行，制粉系統增加下層出力，低負荷時，注意兩臺引風機出力均衡；負荷降低時，由于短時空氣過剩，會造成SCR 入口NOx濃度突升，調整時要及時降低風量。降至目標負荷后，為避免SCR 入口NOx濃度偏高，根據負荷情況及時停止備用磨；鍋爐燃料風、輔助風擋板開度按低氮燃燒器改造后〈鍋爐運行指導卡片〉執行，當A、B 兩側煙氣發生偏斜時，可適當調整AA、AB、OFA 擋板開度來降低偏差；煙囪入口NOx濃度控制受SCR 入口濃度、自動調節品質、煙氣流場、氧量、煙氣混合均勻性以及測量裝置等諸多因素影響，控制不當會造成煙氣排放超標、液氨耗量大，甚至引起設備損壞。在機組降負荷初期，SCR 入口NOx濃度會瞬時上升，應加強SCR 噴氨自動的監視；啟動制粉系統時，SCR 入口NOx濃度上升幅度會更大，機組啟停制粉系統，SCR 入口NOx濃度波動較大，易引起煙囪入口NOx濃度超標，人為降低NOx濃度設定值，確保煙囪入口NOx濃度小時均值不超標，如倒換過程中NOx濃度超標較多，倒換結束后，可將供氨自動解除，盡量降低NOx濃度，以滿足小時均值不超標，倒換制粉系統及脫硝系統有檢修任務時，要提前策劃，時間段最好選擇半點前區間完成，給降低小時均值提供時間保證。

4.2 噴氨自動控制

噴氨自動控制品質差、供氨調整門線性差，供氨壓力波動、煙氣分析儀問題均造成噴氨量不能很好地適應燃用煤種和負荷變化。目前有三種典型噴氨自動控制系統：固定摩爾比，固定出口NOx濃度和多參數復合神經網絡控制。由于受到煙氣取樣點位置、裝置健康水平以及調門特性等因素的影響，在參數波動較大時，不能滿足運行需要，因煙氣流速不均勻，而CEMS 儀表的取樣點并不具備代表性，對噴氨自動造成一定影響；SCR 反應器出、入口NOx濃度數據采集存在一定的滯后性(即非準確的實時數據)，且CEMS 表計測量存在一定程度的誤差，對自動調節也會造成影響；供氨調整門固有的滯后性和線性調節品質差也是影響自動調節的一個因素；目前，我公司SCR 供氨自動調節：邏輯總體上采用串級控制的結構，第一級控制通過調節噴氨流量，達到控制反應器出口NOx濃度的目的；第二級控制通過調節噴氨調門的開度，達到控制噴氨流量的目的。主體邏輯通過入口NOx濃度實際值和出口NOx濃度設定值計算實際所需供氨流量，加入氧量及風煤比作為調節前饋。在SCR出、入口NOx濃度分析儀反吹、標定時，保持PID 偏差調節不變，只根據前饋進行調節，運行中要關注，偏差較大時及時解除自動。另外，供氨調整門自動失靈或線性較差時，應解除自動，參照另一側供氨量進行手動調整。

4.3 氨逃逸控制

催化劑品質和活性、煙氣流場分布、煙氣溫度、氨逃逸儀表準確性和代表性、效率、燃煤硫值、調節品質等都是影響SCR 反應器氨逃逸的主要因素，氨逃逸超標不但浪費液氨且給設備帶來較大隱患。機組不同工況、不同燃燒方式下氨逃逸控制方法和方式也有所不同。2#、3#制粉系統運行時，因SCR 入口NOx濃度擺動較大200 ～350mg/m3，氨逃逸波動較頻繁，易引起瞬時超標，此時應加強設定值的改動；1#、2#、3#制粉系統運行時，SCR 入口NOx濃度較穩定，通常情況下，維持在300mg/m3以內，氨逃逸相對較為穩定，正常投入自動；1#、2#、4#和1#、3#、4#制粉系統運行時，同工況下SCR 入口NOx 濃度會增加100mg/m3和70mg/m3左右；2#、3#、4#制粉系統運行時，同工況下SCR 入口NOx濃度會增加70mg/m3左右，供氨量相對較高，對氨逃逸影響也較為明顯，運行中應及時調整，必要時解除供氨自動。在機組降負荷初期，SCR 入口NOx濃度會瞬時上升，供氨量隨之增加，但隨著負荷的趨于穩定，SCR 入口NOx濃度會迅速降低，而此過程中系統已過量噴氨，氨逃逸上漲會較快，而SCR 出口NOx要滯后1 ～2 分鐘，負荷趨于穩定后應及時降低NOx設定值或解除自動手動降低噴氨量，氨逃逸穩定后恢復自動。

5 吹灰方式選擇和運行維護

5.1 催化劑特性

催化劑是一種易碎的陶瓷性物質；反應器由多個催化劑模塊單體組成，易引起脫落；另外，催化劑不能與水接觸，否則，引起催化劑分解，活性降低；催化劑內嚴禁積灰，因灰塵中含有堿金屬、堿土金屬、鹵化物和磷化物等引起催化劑中毒的化學物質，可使催化劑活性降低。

5.2 SCR 吹灰方式

SCR 吹灰方式普遍采用聲波吹灰、蒸汽吹灰和聯合方式。聲波吹灰對催化劑本身傷害較小，但在邊緣位置和催化劑微孔內易造成積灰；采用蒸汽吹灰，要加強運行維護和檢查，以防損壞催化劑和降低催化劑的活性。

5.3 吹灰要求

采用聲波吹灰要保證吹灰壓力和壓縮空氣品質，壓縮空氣要保證干燥、潔凈。采用蒸汽吹灰，首先，吹灰噴嘴與催化劑距離不能小于600mm,壓力要控制在0.5 ～0.6MPa,以防對催化劑本身以及密封裝置造成傷害，蒸汽嚴禁帶水且蒸汽與催化劑最大溫差不能超過100℃。宜采用的吹灰方式為聲波連續吹掃加蒸汽定期吹掃的聯合方式。

5.4 運行中問題

運行中要加強催化劑前后煙氣壓差的監視，壓差出現上漲趨勢要增加吹灰頻次，同時查明導致差壓上升的原因；如運行中煙氣差壓突然降低，要根據各參數變化，分析是否存在催化劑脫落的可能，找出導致催化劑脫落的原因，適當降低蒸汽吹灰壓力和減少吹灰頻次，并確保吹灰蒸汽品質，同時聯系催化劑廠家是否催化劑質量問題或催化劑安裝問題。

6 結語

運行中加強氮氧化物濃度和氨逃逸的控制水平，減少還原劑耗量，在降低煙氣排放污染物的同時也節約了成本，并且也能有效避免硫酸氰胺的生成，保證設備安全，另外，催化劑性能會隨實際運行時間的增加而逐漸下降，正確的運行方式不僅能夠保證脫硝裝置的安全、經濟運行，而且能夠延長催化劑的使用壽命，在確保煙氣排放的基礎上降低運營成本。