某电厂脱硝系统氨逃逸故障分析与处理

李 栋,强东盛,陈崇明,郁金星,韩忠阁

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

0 引言

选择性催化还原(SCR)脱硝技术因其投资低,工艺过程简单,脱除氮氧化物(NOx)的效率较高,不易造成二次污染等优点被燃煤电厂广泛应用[1-2]。SCR 法通常采用液氨或尿素作为还原剂与烟气中的NOx发生还原反应,由于氨在催化剂上的反应停留时间有限,通常会有极少量的氨逃逸,多数机组的氨逃逸设计值都控制在2.28 mg/Nm3以内[3]。然而,在实际运行中,由于反应器入口烟气流场、浓度场等参数大范围波动导致喷氨不匹配或者催化剂寿命下降等原因,不少机组经常出现氨逃逸过高问题[4]。氨逃逸质量浓度过高时,会造成系统还原剂耗量升高,增加系统的运行成本;另外极易与烟气中的三氧化硫发生反应生成高黏性硫酸氢铵,其很容易在空气预热器冷端、除尘器极线等位置凝结,吸附大量飞灰,从而导致锅炉尾部设备腐蚀或堵塞,影响机组运行安全性和稳定性[5-8]。

本文以某电厂1号机组脱硝系统为例,对氨逃逸故障进行诊断,通过现场测试脱硝出口烟气温度、NOx质量浓度、氨逃逸质量浓度分布,以及分析历史运行情况,探索氨逃逸质量浓度过高的原因及解决办法。

1 脱硝系统概况

某电厂1号机组装机容量为600 MW,锅炉型式为亚临界参数汽包锅炉,一级中间再热、单炉膛、平衡通风,采用四角切圆燃烧方式。SCR 脱硝装置不设置烟气旁路,包括烟气系统、声波吹灰系统和氨喷射系统。为满足机组调峰状态下脱硝投入的要求,对省煤器进行了分级改造,将脱硝系统SCR 入口的省煤器割除27%移至SCR 出口,因此脱硝反应器布置在高温和低温省煤器中间。脱硝还原剂采用液氨,还原剂的贮存、制备和供应系统为1、2号锅炉共用。脱硝装置设计寿命为30年,年利用小时数为5 500 h,脱硝系统及装置可用率不小于98%。脱硝反应器内现装有三层催化剂,系统的主要设计参数如表1所示。

表1 1号机组脱硝系统设计参数

2 测试过程及方法

为了能够反映脱硝系统实际性能,测试在氨逃逸故障频发的50%ECR 工况下进行,试验日期为2022年2月28日。试验时调整喷氨支路手动阀使脱硝入口NOx分布均匀。测试参数包括烟气温度、NOx、O2、NH3的质量浓度等,均采用网格布点法,网格点布置参照GB/T 16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》。烟气温度测试位置设置在反应器入口,其他项目测试位置均设在脱硝系统出口截面。

烟气温度采用Fluke F 52热电偶进行检测;NOx、O2等烟气成分测试采用MRU -MGA5+型便携式红外烟气分析仪检测;NH3质量浓度测试参考DL/T 260—2012《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》,利用两级稀硫酸吸收液吸收后,使用靛酚蓝分光光度法分析NH4+质量浓度,根据采气体积,计算得到烟气中NH3质量浓度。NOx和NH3同一时间进行测量。

3 分析诊断

3.1 烟气温度分析

温度是影响脱硝催化剂反应活性的关键参数[9]。当烟气温度过低时,一方面会降低NH3和NOx的反应速率,减小脱硝率;另一方面NH3会与烟气中的SO3发生反应生成粘性较大的NH4HSO4,其粘附在催化剂表面会堵塞催化剂的孔道和微孔,降低催化剂的活性。50%ECR 工况下,反应器入口烟气温度分布情况如图1 所示。可以看出,A 侧烟气温度范围为323~338 ℃,且从A1-A5测孔有逐渐递减趋势;B 侧烟气温度范围为309~323℃,且各位置与A 侧相比温度均略有下降。虽然两侧反应器的温度场分布有所不同,但是最低温度均高于300 ℃的最低允许喷氨温度,说明低负荷工况下烟气温度不会成为制约脱硝系统运行效果的主要因素。

图1 1号机组脱硝入口烟气温度分布

3.2 NO x 质量浓度场测试分析

为掌握两侧反应器出口真实NOx质量浓度分布情况,进行了脱硝出口NOx质量浓度场测试。每侧反应器出口均设置了5个测孔,面向炉膛从左至右编号为1—5,每个测孔选择3个深度进行布点。NOx质量浓度摸底测试结果如图2所示。可以看出,1号机组A 侧反应器出口NOx质量浓度(折算至6%O2)范围为14~30 mg/m3;其中,A2—A5测孔NOx质量浓度范围为25~30 mg/m3,偏差相对较小;低值均出现在A1 测孔。B侧反应器出口NOx质量浓度(折算至6%O2)范围为7~12 mg/m3,虽然各位置的质量浓度偏差较小,但是与A 侧相比整体质量浓度相对较低,说明该侧反应器存在喷氨量过大问题,将导致出口均具有较高的氨逃逸质量浓度。

图2 1号机组脱硝出口NO x 质量浓度分布

3.3 氨逃逸测试分析

1号机组脱硝系统氨逃逸测试分析,A 侧实测氨逃逸量为2.52~6.73 mg/m3(6%O2),平均为4.23 mg/m3;在线数值为2.49~2.88 mg/m3,平均为2.64 mg/m3。可以看出,A 侧A1—A3测孔的氨逃逸均超过2.28 mg/m3的设计值[10],且氨逃逸质量浓度最高值出现在A1 测孔,与该位置NOx质量浓度最低值相对应。在A2、A3测孔实测NOx平均质量浓度(6%O2)均在25 mg/m3左右条件下,氨逃逸仍然出现超标的情况,表明A 侧反应器可能存在催化剂整体活性不足的问题。B侧实测氨逃逸量为5.35~10.74 mg/m3,平均为9.03 mg/m3;在线数值为3.48~4.06 mg/m3,平均值为3.8 mg/m3。可以看出,B侧所有位置的氨逃逸质量浓度均较高,且都超过2.28 mg/m3的设计值。结合该侧各位置实测NOx平均质量浓度(6%O2)最低仅为7.52 mg/m3,再次证明氨氮摩尔比分布不均是造成氨逃逸过高的主要原因。具体数据见表2、表3。

表2 1号机组脱硝系统A侧NH3 质量浓度 mg/m3

表3 1号机组脱硝系统B侧NH3 质量浓度 mg/m3

SCR 系统中氨分布不均匀,造成部分区域氨不足,使烟气中的NOx不能充分反应,导致这部分区域的脱硝效率低;部分区域氨过量,虽然使烟气中的NOx充分反应,但是因反应的氨仍然很大,造成极大的浪费,同时氨逃逸量极高,最终导致SCR 脱硝系统中氨的浪费,脱硝效率降低[11- 13]。

3.4 运行数据分析

现场查看了1号机组2022年2月21—27日的低负荷运行曲线,见图3,并与2号机组进行了比对。由图3 可以看出,1 号机组负荷在212~226 MW 波动,脱硝入口NOx质量浓度存在大幅度波动情况,最高值达到了310 mg/m3,中间值也能达到214 mg/m3。在脱硝入口NOx质量浓度波动幅度超过100 mg/m3时,脱硝喷氨自动或手动都很难保证适量的氨喷射量,极易造成过喷或欠喷情况的出现[14- 16]。

图3 1号机组2022年2月24日运行曲线

1、2号机组均在240 MW 左右工况下的运行情况对比如图4和图5所示。可以看出,1号机组工况为239 MW 时,A、B 两侧脱硝入口NOx质量浓度均在200 mg/m3左右,氨气喷射量在28kg/h;2号机组工况为240 MW 时,A、B两侧脱硝入口NOx质量浓度均在120 mg/m3左右,氨气喷射量在13~18 kg/h。以上数据说明,1号机组入口NOx质量浓度较高,也是造成氨气喷射量增加,进而反应器出口氨逃逸超标的原因。

图4 1号机组2022年2月22日运行曲线

图5 2号机组2022年2月22日运行曲线

4 结论与建议

本文通过对脱硝入口烟气温度,脱硝出口NOx质量浓度场、NH3质量浓度进行测试,并结合1号机组低负荷运行曲线,对1号机组氨逃逸现象进行分析,得出以下结论与建议。

4.1 结论

1)1号机组脱硝系统出口实测质量浓度最低值为13.43 mg/m3,出现在A1测孔;断面氨逃逸平均值为4.23 mg/m3,超过2.28 mg/m3的设计值。

2)1号机组脱硝系统出口B侧各孔实测NOx质量浓度显著低于CEMS数据,实测质量浓度(6%O2)最低值仅为6.53 mg/m3,氨逃逸平均值达9.03 mg/m3,远高于2.28 mg/m3的设计值。结果说明入口氨氮摩尔比分布不均以及部分区域氨量过喷是造成脱硝出口氨逃逸超标的主要原因。

3)1号机组脱硝入口NOx质量浓度在低负荷存在较大波动,且平均质量浓度远高于2号机组,也是造成1号机组喷氨量高和氨逃逸超标的原因。

4.2 建议

1)优化1号机组锅炉燃烧配风,在降低入口NOx质量浓度的同时,减少NOx质量浓度波动幅度,提升氨量喷射稳定性。

2)在保证入口NOx质量浓度稳定性以及固定负荷下,调整脱硝反应器入口氨氮摩尔比分布,减少脱硝出口低NOx浓度情况的出现。

3)评估催化剂性能,掌握催化剂剩余寿命,并确定在氨逃逸不超过2.28 mg/m3的条件下,脱硝装置出口的最低NOx质量浓度,避免脱硝装置超效率运行。