SCR对脱消效率及SO2转化率影响分析.doc

SCR对脱硝效率及SO2转化率影响分析王杭州（厦门华夏电力公司，厦门，361026）摘 要：本文通过300MW机组脱硝的性能试验,测试SCR脱硝效率及NOX浓度及其分布试验以及对SO2转化成SO3影响进行测试分析，探讨与分析烟气脱硝工程性能试验所采用的方法、手段及评价依据，为日益增多的烟气脱硝系统提供性能试验的技术借鉴与实践参考。关键词：性能试验；选择性催化还原技术(SCR)；SO2NOx作为燃煤电厂的主要污染物之一，在烟尘与SO2污染逐步得到控制后，正日益引起重视。影响SCR系统的因素多（烟气条件、环保要求、排烟条件、FGD装置、空气预热器、ESP等设备），投资大，运行成本高，因此，对SCR系统进行现场性能分析研究对于SCR系统内流体流动、传质传热、节能降耗具有重要的意义。SCR系统各种参数（脱硝效率、NOx浓度、烟气流量与温度等）之间有着非常紧密的联系，其中的脱硝效率是所有参数中最关键、最核心的因子。参数之间、注氨格栅以及烟气流体分布的优化与调整，对SO2的转化率的程度等，对整套SCR系统的科学与经济运行有着重要的促进作用。本文通过300MW机组脱硝的性能试验,测试SCR脱硝效率及NOX浓度及其分布试验以及对SO2转化成SO3影响进行测试分析，探讨与分析烟气脱硝工程性能试验所采用的方法、手段及评价依据，为日益增多的烟气脱硝系统提供性能试验的技术借鉴与实践参考。1.1 样品的采集与测试测试方法总体描述为：在每台SCR反应器的进出口烟道截面上，采用网格法（进口28点，出口20点）逐点采集烟气样品，用NGA2000多功能分析仪测量烟气中的NO与O2，以此来获得每台反应器的脱硝效率。为了分析烟气通过催化剂后的SO2/SO3转化率，需要用化学法在省煤器出口和SCR反应器出口烟道同时采集烟气样品，以分析SO2与SO3浓度。通过在每台反应器出口5点烟气取样，来分析烟气中的氨逃逸浓度。1.1.1 SCR设计参数每台锅炉配备两台三分仓容克式空气预热器，在省煤器与空预器之间，由上海电气石川岛电站环保工程有限公司设计安装了两台高灰型SCR烟气脱硝装置。脱硝反应器采用“21”的催化剂布置模式，初装两层美国康宁公司提供的蜂窝型催化剂（节距7.0mm，2222孔，0.8mm壁厚），每层催化剂上方安装3只半伸缩式蒸汽吹灰器。SCR反应器入口安装了格栅式喷氨系统，每台反应器设置9只手动调节阀，采用分区调节的方式来控制喷氨后的NH3/NO分布。表1 SCR装置的设计参数项目单位数据备注烟气流量t/h1305Nm3/h1010466湿基入口烟气成分O2%4干基H2O%8湿基SOxL/L500干基飞灰浓度g/Nm323NOxmg/Nm3450（max600）干基、6%O2SCR性参数NOx(干基)mg/Nm3180（首期） 45（远期）脱硝效率%60(首期) 90（远期）100%ECRNH3逃逸L/L3干基，6%O2 Vol.SO2/SO3转化率%1系统阻力Pa1000喷氨的均匀性是保证良好脱硝效率及减少氨逃逸率的关键，为保证喷氨的均匀性，每个SCR反应器设有93根伸入烟道的注氨支管，每根支管上有10个不锈钢喷头，即27根注氨支管与270个喷嘴组成了注氨格栅(AIG)（见图1注氨格栅示意图），均匀地分布在SCR进口侧烟道的截面上。另外，在注氨支管上设置了流量调节阀、节流孔以及差压计，用于调整注入氨量的均匀性。图1 注氨格栅(AIG)示意图氨管调节阀流量计烟道喷嘴1.1.2 NOx与O2浓度测量在每台SCR反应器的进出口烟道截面上，采用网格法（进口28点，出口20点）逐点采集烟气样品，用NGA2000多功能分析仪测量烟气中的NO与O2，以此来获得每台反应器的脱硝效率。为了分析烟气通过催化剂后的SO2/SO3转化率，需要用化学法在省煤器出口和SCR反应器出口烟道同时采集烟气样品，以分析SO2与SO3浓度。此外，每个试验工况都采集了入炉煤和飞灰（空预器出口撞击灰）样品。在每台SCR反应器的进口和出口烟道截面，采用等截面网格法（进口74，出口54）布置烟气取样点（图2），分析各采样点烟气中的NO与O2含量，从而获得烟道截面的NO与O2分布，并计算每台反应器的脱硝效率。每台SCR反应器的进出口均已安装了NO和O2浓度在线分析仪，通过测量烟道截面的NO与O2浓度分布，可找出在线监测分析仪的显示值与实际NO与O2浓度之间的关系，以此来连续监测每个试验工况期间的脱硝效率波动。空预器省煤器第一层催化剂第一层催化剂备用层SO2、SO3NO及O2取样点注氨NO、O2取样点图2 NO与O2浓度的采样点采样泵1采样泵2过滤器冷凝器预过滤器蠕动泵混合器取样管烟气中的NO浓度的测量参考美国EPA7E标准。采用ROSEMOUNT公司的NGA2000型烟气分析仪逐点测量。首先用不锈钢管将烟气引出至烟道外，然后经过水洗除尘、除氨器除氨、烟气预处理装置清洁、除湿、冷却，最后接入NGA2000型烟气分析仪进行分析。NOx取样与分析系统见图3。每个试验工况结束后，根据各取样点的NO与O2浓度，将NO修正到6%氧量下，加上5%NO2，可获得各取样点的NOx浓度。图3 NO和O2的取样分析系统1.1.3 NH3逃逸测量烟气中气态氨的样品采集执行美国EPA CTM027标准，图4是样品采集系统的示意图，用硫酸溶液作为氨的吸收液，用离子色谱仪进行浓度分析。采样点位于SCR反应器出口水平烟道，每侧5个取样孔。引风机过滤器加热器300H2SO4取样点烟气流量计图4 烟气中的NH3取样系统1.1.4 SO2/SO3转化率在脱硝反应器的进出口烟道同时测量SO2和SO3浓度，可获得烟气通过SCR反应器后的SO2/SO3转化率。在每台反应器的入口水平烟道选择两个烟气取样孔，采用图45所示系统同时采集SO2与SO3样品；在反应器出口水平烟道选取两个烟气取样孔，也采用图5所示系统采集SO3样品。用离子色谱仪分析所采集样品中的硫酸根离子浓度，可折算出烟气中的SO2、SO3浓度。SO2/SO3转化率的计算公式如下： （1）式中：SO2/SO3转化率，%；SCR反应器出口的SO3平均浓度，L/L6%O2；SCR反应器入口的SO3平均浓度，L/L6%O2；SCR反应器入口的SO2平均浓度，L/L6%O2。采样加热到260石英棉冷凝管过滤器烟气采样器干燥器冰槽75吸收瓶图5 SO2/SO3采样系统示意图1.2 结果与讨论1.2.1 测试结果1.2.1.1 SCR进出口NOx浓度测试SCR装置的脱硝效率试验时的脱硝效率设定值、喷氨量、SCR反应器进出口的实测NOx浓度见表2。SCR脱硝效率（DCS）设定值为60.763.9%，实际脱硝效率约为70.5174.64%。表2 锅炉的脱硝效率项目单位300MW工况下反应器SCR反应器BA设定脱硝效率（DCS）%60.763.9喷氨量DCSNm3/h113.792.4入口NOx6%O2（DCS）mg/Nm3412.5438.5出口NOx6%O2（DCSmg/Nm3185.5233.1实测入口NOx6%O2mg/Nm3429.4423.7实测出口NOx6%O2mg/Nm3122.7128.8实际脱硝效率%71.4369.6平均脱硝效率%70.51备注：DCS显示的NOx6%O2为NO的质量浓度，本表中数据已经转换成NO2的浓度。1.2.1.2 SCR进口NOX浓度分布表3 SCR-A反应器进口NOX浓度分布NOx-mg/Nm36%O2A反应器进口12345671395.2398.2406.0412.8428.1448.2496.92386.6382.7398.6405.3464.8480.4507.33372.9392.3413.9439.4462.9488.7498.64304.8344.7429.7424.8450.6460.3492.5最大507.3最小304.8平均值428.1入口分布标准偏差11.5表4 SCR-B反应器进口NOX浓度分布NOx-mg/Nm36%O2B反应器进口76543211477.5463.2472.9449.3448.0464.9450.42493.3468.4458.9471.8424.9445.1446.73507.1473.3489.4496.5451.5443.1412.44511.2509.1474.9445.1471.0451.0449.2最大511.2最小412.4平均值465.0入口分布标准偏差5.31.2.1.3 SCR出口NOX浓度分布（以B反应器为例，分别测出调整前后偏差值）表5 SCR- A反应器出口NOX浓度分布（调整后）NOx-mg/Nm36%O2A反应器出口123451132.1152.8160.0141.2176.72133.5155.0160.9170.9148.43127.5145.5148.8143.9142.14171.4162.9179.1181.2191.7最大191.7最小127.5平均值156.3出口分布标准偏差11.5脱硝效率63.5 表6 SCR- B反应器出口NOX浓度分布（调整前）NOx-mg/Nm36%O2B反应器出口543211188.0208.3220.0134.435.12196.8240.8247.4125.138.03183.5228.3202.0109.644.24207.5223.3253.6123.526.5最大253.6最小26.5平均值161.8出口分布标准偏差47.4脱硝效率65.20表7 SCR-B反应器出口NOX浓度分布（调整后）NOx-mg/Nm36%O2B反应器出口543211135.7142.1172.3138.0115.72122.0161.1187.0140.5112.03133.0159.7150.2117.8103.04165.7148.2181.6129.1125.7最大181.6最小103.0平均值142.0出口分布标准偏差24.39脱硝效率69.461.2.1.4 NH3逃逸烟气中的气态氨逃逸取样在SCR反应器的出口水平烟道，每侧烟道选择5个取样孔。氨逃逸取样与脱硝效率的测试同时进行，具体测试结果见表6。选取2个工况对应的氨逃逸分别为2. 66L/L和 1.62L/L。表6 氨逃逸测试结果（单位：L/L6%O2）反应器B反应器A测点1234554321工况2.662.521.761.341.411.151.101.111.251.89平均值1.621.2.1.5 SO2/SO3转化率SCR反应器进出口烟气中的SO2与SO3测试数据分析结果汇总于表7。SO2/SO3转化率约为0.29%。催化剂的设计运行温度为380，实测省煤器出口烟气温度只有364与348，这不仅降低了催化剂的反应活性，而且抑制了烟气通过催化剂时SO2向SO3的转化。表7 SO2/SO3转化率测试结果工况反应器入口温度入口SO2入口SO3出口SO3SO2/SO3转化率SO2/SO3平均值单位L/L6%O2L/L6%O2L/L6%O2%300MW工况B3643070.471.790.430.290A2660.140.540.15 1.2.2 讨论综上所述， SCR装置的脱硝效率、氨逃逸及SO2/SO3转化率均达到要求。最终的性能考核结果汇总于表8。表8 SCR性能考核结果项 目单位性能保证值工况1负 荷MW300301脱硝效率%6063.35氨逃逸6%O2L/L3.01.62SO2/SO3转化率%1.00.29催化反应器内的流动场、温度场和反应物浓度分布越均匀，化学反应的效率越有保障，而SCR反应器入口处的流动、温度和反应物浓度的分布的均匀性更是显得尤为重要，因为入口处的状况将影响SCR的整体性能。为了更加清楚的分析SCR反应器的运行特性，参照锅炉性能试验的方法在SCR进出口的烟道取24个测点测量其局部的烟气流速、氧量、温度、NOx含量等等，按算术平均值（如下式4-4）计算出其截面参数的平均值1 用表示。所有空间点上Xi的均方差用表示，流动速度、温度和反应物浓度等物理量的不均匀度常用偏差Cv（coefficient of variation）来表述参数在烟道截面的均匀程度23，则有：（2）式中：.（3）（4）高性能指标的SCR系统，主要是指氨的低逃逸率和NOx的高脱除率，要求结构设计能够保证获得流动场、温度场和反应物浓度场的相应均匀程度。1.2.2.1 脱硝效率对SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv两个指标上。从试验结果可看出，其反应器的平均脱硝率为64.35，脱硝效率性能指标满足首期60%要求。1.2.2.2 出口NOX分布调节从SCR出口NOX浓度数据可知，B反应器出口NOx的浓度分布不均匀，如图6，其Cv达到47.4%，超过了30，不能达到国家规定的项目达标要求，为此特调节供应管道上的手动节流阀以得到比较均匀的出口NOx的浓度分布。每个反应器各有9根供应支管，每根支管上面有3个喷嘴，共27个喷嘴，这27个喷嘴组成了右半部分和左半部分双层喷射面。在SCR系统运行初始时的所有氨的喷射支管上的流量孔板都在中间位置，测得此时各管的压差数值。在初始工况，各喷氨支管的手动节流阀都在中间位置。在此工况下，左右墙各支管的氨流量基本相等，前墙各支管的氨流量也基本相同，即两层喷射格栅的喷氨量基本均匀。在考虑了反应器入口的烟气流速分布之后，我们认为B1、B2处烟气流速过小使得该处的氨氮比远高于其他位置，造成出口NOx浓度偏差过大的主要原因。因此需要降低该处的喷氨量，将该处支管的手动节流阀减小，而在此工况下出口NOx的浓度偏差的到明显下降（如图6），此时NOx的浓度偏差系数Cv降到24.39%，达到项目验收标准。图5 SCR-A反应器出口NOX浓度偏差图6 B-SCR出口浓度偏差（调整前后）1.2.2.3 NH3逃逸率从试验结果看，试验工况下，氨逃逸6%O2为1.62L/L，小于性能保证值3L/L。SCR反应器内的催化剂按照“21”模式布置，初装2层。催化剂的性能保证期为20000小时，在性能保证到期时的脱硝效率与氨逃逸分别为60%与3L/L。催化剂活性的惰化、催化剂小孔的堵塞、烟气流速及NH3/NO分布不均匀等对脱硝性能均有影响，为了弥补这些因素的影响，国外在初装催化剂时一般会预留3050%裕量。因此在性能考核试验时，氨的逃逸较小。本工程两台锅炉的脱硝装置通烟气时间已经超过一年，这会导致催化剂活性有一定程度的降低，并增加氨的逃逸。1.2.2.4 SO2转化率因SCR反应器入口烟气温度远低于设计值，致使SO2/SO3转化率相对较低，从试验结果来看，SO2/SO3转化率仅为0.29%，小于性能保证值1.0%L/L。SCR脱硝反应发生在含有SO2的烟气中，SO2会在催化剂的作用下被氧化成SO3。这一反应对于SCR脱硝反应而言是非常不利的。因为SO3可以和烟气中的水以及NH3反应，从而生成硫酸氨和硫酸氢氨。而这些硫酸盐(尤其是硫酸氢氨)可以沉积并集聚在催化剂表面。在温度为200290的范围内，烟气中的氨与SO3和H2O反应生成硫酸氢氨（NH4HSO4）：NH3+SO3+H2O= NH4HSO4。（5）为防止这一现象的发生，SCR反应的温度至少要高于300。而从测试SCR入口的烟温均在300以上，其转化率较小。速度场、温度场和NH3/NOx摩尔比分布的不均匀性，对不同设计脱硝率的影响是不一样的，当要求脱硝率高的时候，速度场、温度场和NH3/NOx摩尔比分布的均匀度要求也高。一般来讲，仅仅保证在额定运行状态下达到均匀度要求是比较容易做到的，而为了能够使所有的运行状态都能达到最佳的结果，则要困难得多，只有采取一系列综合措施才行。这些措施通常包括氨喷射截面上流动的调整、相连管道中流动的调整以及反应器入口处流动的调整。当火电厂SCR装置投运之后，为保持SCR装置高效、经济、安全的运行，对喷氨格栅的调整、催化剂的管理和控制氨逃逸量就将成为火电厂主要的工作。1.3 小结 (1)、SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv两个指标上，虽然SCR脱硝效率达到性能要求，