1、SCR對(duì)脫硝效率及SO2轉(zhuǎn)化率影響分析王杭州（廈門華夏電力公司，廈門，361026）摘 要：本文通過(guò)300MW機(jī)組脫硝的性能試驗(yàn),測(cè)試SCR脫硝效率及NOX濃度及其分布試驗(yàn)以及對(duì)SO2轉(zhuǎn)化成SO3影響進(jìn)行測(cè)試分析，探討與分析煙氣脫硝工程性能試驗(yàn)所采用的方法、手段及評(píng)價(jià)依據(jù)，為日益增多的煙氣脫硝系統(tǒng)提供性能試驗(yàn)的技術(shù)借鑒與實(shí)踐參考。關(guān)鍵詞：性能試驗(yàn)；選擇性催化還原技術(shù)(SCR)；SO2NOx作為燃煤電廠的主要污染物之一，在煙塵與SO2污染逐步得到控制后，正日益引起重視。影響SCR系統(tǒng)的因素多（煙氣條件、環(huán)保要求、排煙條件、FGD裝置、空氣預(yù)熱器、ESP等設(shè)備），投資大，運(yùn)行成本高，因此，對(duì)SCR

2、系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)性能分析研究對(duì)于SCR系統(tǒng)內(nèi)流體流動(dòng)、傳質(zhì)傳熱、節(jié)能降耗具有重要的意義。SCR系統(tǒng)各種參數(shù)（脫硝效率、NOx濃度、煙氣流量與溫度等）之間有著非常緊密的聯(lián)系，其中的脫硝效率是所有參數(shù)中最關(guān)鍵、最核心的因子。參數(shù)之間、注氨格柵以及煙氣流體分布的優(yōu)化與調(diào)整，對(duì)SO2的轉(zhuǎn)化率的程度等，對(duì)整套SCR系統(tǒng)的科學(xué)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的促進(jìn)作用。本文通過(guò)300MW機(jī)組脫硝的性能試驗(yàn),測(cè)試SCR脫硝效率及NOX濃度及其分布試驗(yàn)以及對(duì)SO2轉(zhuǎn)化成SO3影響進(jìn)行測(cè)試分析，探討與分析煙氣脫硝工程性能試驗(yàn)所采用的方法、手段及評(píng)價(jià)依據(jù)，為日益增多的煙氣脫硝系統(tǒng)提供性能試驗(yàn)的技術(shù)借鑒與實(shí)踐參考。1.1 樣品的采集

3、與測(cè)試測(cè)試方法總體描述為：在每臺(tái)SCR反應(yīng)器的進(jìn)出口煙道截面上，采用網(wǎng)格法（進(jìn)口28點(diǎn)，出口20點(diǎn)）逐點(diǎn)采集煙氣樣品，用NGA2000多功能分析儀測(cè)量煙氣中的NO與O2，以此來(lái)獲得每臺(tái)反應(yīng)器的脫硝效率。為了分析煙氣通過(guò)催化劑后的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，需要用化學(xué)法在省煤器出口和SCR反應(yīng)器出口煙道同時(shí)采集煙氣樣品，以分析SO2與SO3濃度。通過(guò)在每臺(tái)反應(yīng)器出口5點(diǎn)煙氣取樣，來(lái)分析煙氣中的氨逃逸濃度。1.1.1 SCR設(shè)計(jì)參數(shù)每臺(tái)鍋爐配備兩臺(tái)三分倉(cāng)容克式空氣預(yù)熱器，在省煤器與空預(yù)器之間，由上海電氣石川島電站環(huán)保工程有限公司設(shè)計(jì)安裝了兩臺(tái)高灰型SCR煙氣脫硝裝置。脫硝反應(yīng)器采用“21”的催化劑布置模

4、式，初裝兩層美國(guó)康寧公司提供的蜂窩型催化劑（節(jié)距7.0mm，22×22孔，0.8mm壁厚），每層催化劑上方安裝3只半伸縮式蒸汽吹灰器。SCR反應(yīng)器入口安裝了格柵式噴氨系統(tǒng)，每臺(tái)反應(yīng)器設(shè)置9只手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，采用分區(qū)調(diào)節(jié)的方式來(lái)控制噴氨后的NH3/NO分布。表1 SCR裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目單位數(shù)據(jù)備注煙氣流量t/h1305Nm3/h1010466濕基入口煙氣成分O2%4干基H2O%8濕基SOxµL/L500干基飛灰濃度g/Nm323NOxmg/Nm3450（max600）干基、6%O2SCR性參數(shù)NOx(干基)mg/Nm3180（首期） 45（遠(yuǎn)期）脫硝效率%60(首期) 90（遠(yuǎn)

5、期）100%ECRNH3逃逸µL/L3干基，6%O2 Vol.SO2/SO3轉(zhuǎn)化率%1系統(tǒng)阻力Pa1000噴氨的均勻性是保證良好脫硝效率及減少氨逃逸率的關(guān)鍵，為保證噴氨的均勻性，每個(gè)SCR反應(yīng)器設(shè)有9×3根伸入煙道的注氨支管，每根支管上有10個(gè)不銹鋼噴頭，即27根注氨支管與270個(gè)噴嘴組成了注氨格柵(AIG)（見(jiàn)圖1注氨格柵示意圖），均勻地分布在SCR進(jìn)口側(cè)煙道的截面上。另外，在注氨支管上設(shè)置了流量調(diào)節(jié)閥、節(jié)流孔以及差壓計(jì)，用于調(diào)整注入氨量的均勻性。圖1 注氨格柵(AIG)示意圖氨管調(diào)節(jié)閥流量計(jì)煙道噴嘴1.1.2 NOx與O2濃度測(cè)量在每臺(tái)SCR反應(yīng)器的進(jìn)出口煙道截面上，采

6、用網(wǎng)格法（進(jìn)口28點(diǎn)，出口20點(diǎn)）逐點(diǎn)采集煙氣樣品，用NGA2000多功能分析儀測(cè)量煙氣中的NO與O2，以此來(lái)獲得每臺(tái)反應(yīng)器的脫硝效率。為了分析煙氣通過(guò)催化劑后的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，需要用化學(xué)法在省煤器出口和SCR反應(yīng)器出口煙道同時(shí)采集煙氣樣品，以分析SO2與SO3濃度。此外，每個(gè)試驗(yàn)工況都采集了入爐煤和飛灰（空預(yù)器出口撞擊灰）樣品。在每臺(tái)SCR反應(yīng)器的進(jìn)口和出口煙道截面，采用等截面網(wǎng)格法（進(jìn)口7×4，出口5×4）布置煙氣取樣點(diǎn)（圖2），分析各采樣點(diǎn)煙氣中的NO與O2含量，從而獲得煙道截面的NO與O2分布，并計(jì)算每臺(tái)反應(yīng)器的脫硝效率。每臺(tái)SCR反應(yīng)器的進(jìn)出口均已安裝了NO

7、和O2濃度在線分析儀，通過(guò)測(cè)量煙道截面的NO與O2濃度分布，可找出在線監(jiān)測(cè)分析儀的顯示值與實(shí)際NO與O2濃度之間的關(guān)系，以此來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)每個(gè)試驗(yàn)工況期間的脫硝效率波動(dòng)?？疹A(yù)器省煤器第一層催化劑第一層催化劑備用層SO2、SO3NO及O2取樣點(diǎn)注氨NO、O2取樣點(diǎn)圖2 NO與O2濃度的采樣點(diǎn)采樣泵1采樣泵2過(guò)濾器冷凝器預(yù)過(guò)濾器蠕動(dòng)泵混合器取樣管煙氣中的NO濃度的測(cè)量參考美國(guó)EPA7E標(biāo)準(zhǔn)。采用ROSEMOUNT公司的NGA2000型煙氣分析儀逐點(diǎn)測(cè)量。首先用不銹鋼管將煙氣引出至煙道外，然后經(jīng)過(guò)水洗除塵、除氨器除氨、煙氣預(yù)處理裝置清潔、除濕、冷卻，最后接入NGA2000型煙氣分析儀進(jìn)行分析。NOx取樣

8、與分析系統(tǒng)見(jiàn)圖3。每個(gè)試驗(yàn)工況結(jié)束后，根據(jù)各取樣點(diǎn)的NO與O2濃度，將NO修正到6%氧量下，加上5%NO2，可獲得各取樣點(diǎn)的NOx濃度。圖3 NO和O2的取樣分析系統(tǒng)1.1.3 NH3逃逸測(cè)量煙氣中氣態(tài)氨的樣品采集執(zhí)行美國(guó)EPA CTM027標(biāo)準(zhǔn)，圖4是樣品采集系統(tǒng)的示意圖，用硫酸溶液作為氨的吸收液，用離子色譜儀進(jìn)行濃度分析。采樣點(diǎn)位于SCR反應(yīng)器出口水平煙道，每側(cè)5個(gè)取樣孔。引風(fēng)機(jī)過(guò)濾器加熱器300H2SO4取樣點(diǎn)煙氣流量計(jì)圖4 煙氣中的NH3取樣系統(tǒng)1.1.4 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率在脫硝反應(yīng)器的進(jìn)出口煙道同時(shí)測(cè)量SO2和SO3濃度，可獲得煙氣通過(guò)SCR反應(yīng)器后的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率。在每臺(tái)

9、反應(yīng)器的入口水平煙道選擇兩個(gè)煙氣取樣孔，采用圖45所示系統(tǒng)同時(shí)采集SO2與SO3樣品；在反應(yīng)器出口水平煙道選取兩個(gè)煙氣取樣孔，也采用圖5所示系統(tǒng)采集SO3樣品。用離子色譜儀分析所采集樣品中的硫酸根離子濃度，可折算出煙氣中的SO2、SO3濃度。SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的計(jì)算公式如下： （1）式中：SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，%；SCR反應(yīng)器出口的SO3平均濃度，µL/L6%O2；SCR反應(yīng)器入口的SO3平均濃度，µL/L6%O2；SCR反應(yīng)器入口的SO2平均濃度，µL/L6%O2。采樣加熱到260石英棉冷凝管過(guò)濾器煙氣采樣器干燥器冰槽75吸收瓶圖5 SO2/SO3采樣系統(tǒng)示意

10、圖1.2 結(jié)果與討論1.2.1 測(cè)試結(jié)果1.2.1.1 SCR進(jìn)出口NOx濃度測(cè)試SCR裝置的脫硝效率試驗(yàn)時(shí)的脫硝效率設(shè)定值、噴氨量、SCR反應(yīng)器進(jìn)出口的實(shí)測(cè)NOx濃度見(jiàn)表2。SCR脫硝效率（DCS）設(shè)定值為60.763.9%，實(shí)際脫硝效率約為70.5174.64%。表2 鍋爐的脫硝效率項(xiàng)目單位300MW工況下反應(yīng)器SCR反應(yīng)器BA設(shè)定脫硝效率（DCS）%60.763.9噴氨量DCSNm3/h113.792.4入口NOx6%O2（DCS）mg/Nm3412.5438.5出口NOx6%O2（DCSmg/Nm3185.5233.1實(shí)測(cè)入口NOx6%O2mg/Nm3429.4423.7實(shí)測(cè)出口NOx

11、6%O2mg/Nm3122.7128.8實(shí)際脫硝效率%71.4369.6平均脫硝效率%70.51備注：DCS顯示的NOx6%O2為NO的質(zhì)量濃度，本表中數(shù)據(jù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成NO2的濃度。1.2.1.2 SCR進(jìn)口NOX濃度分布表3 SCR-A反應(yīng)器進(jìn)口NOX濃度分布NOx-mg/Nm36%O2A反應(yīng)器進(jìn)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.

12、5最大507.3最小304.8平均值428.1入口分布標(biāo)準(zhǔn)偏差11.5表4 SCR-B反應(yīng)器進(jìn)口NOX濃度分布NOx-mg/Nm36%O2B反應(yīng)器進(jìn)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入口分布標(biāo)準(zhǔn)偏差5.31.2.1.3 SCR出口NOX濃度分布（以B反應(yīng)器為例，分別測(cè)出調(diào)整前后偏差值）

13、表5 SCR- A反應(yīng)器出口NOX濃度分布（調(diào)整后）NOx-mg/Nm36%O2A反應(yīng)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出口分布標(biāo)準(zhǔn)偏差11.5脫硝效率63.5 表6 SCR- B反應(yīng)器出口NOX濃度分布（調(diào)整前）NOx-mg/Nm36%O2B反應(yīng)器出口543211188.0208.3220.0134.435.12196.8240.8247.4125.138.03

14、183.5228.3202.0109.644.24207.5223.3253.6123.526.5最大253.6最小26.5平均值161.8出口分布標(biāo)準(zhǔn)偏差47.4脫硝效率65.20表7 SCR-B反應(yīng)器出口NOX濃度分布（調(diào)整后）NOx-mg/Nm36%O2B反應(yīng)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出口分布標(biāo)準(zhǔn)偏差24.39脫硝效率69.461.2.1.4 NH3

15、逃逸煙氣中的氣態(tài)氨逃逸取樣在SCR反應(yīng)器的出口水平煙道，每側(cè)煙道選擇5個(gè)取樣孔。氨逃逸取樣與脫硝效率的測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。選取2個(gè)工況對(duì)應(yīng)的氨逃逸分別為2. 66µL/L和 1.62µL/L。表6 氨逃逸測(cè)試結(jié)果（單位：µL/L6%O2）反應(yīng)器B反應(yīng)器A測(cè)點(diǎn)1234554321工況2.662.521.761.341.411.151.101.111.251.89平均值1.621.2.1.5 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率SCR反應(yīng)器進(jìn)出口煙氣中的SO2與SO3測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果匯總于表7。SO2/SO3轉(zhuǎn)化率約為0.29%。催化劑的設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為380，實(shí)測(cè)省煤器

16、出口煙氣溫度只有364與348，這不僅降低了催化劑的反應(yīng)活性，而且抑制了煙氣通過(guò)催化劑時(shí)SO2向SO3的轉(zhuǎn)化。表7 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率測(cè)試結(jié)果工況反應(yīng)器入口溫度入口SO2入口SO3出口SO3SO2/SO3轉(zhuǎn)化率SO2/SO3平均值單位µL/L6%O2µL/L6%O2µL/L6%O2%300MW工況B3643070.471.790.430.290A2660.140.540.15 1.2.2 討論綜上所述， SCR裝置的脫硝效率、氨逃逸及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率均達(dá)到要求。最終的性能考核結(jié)果匯總于表8。表8 SCR性能考核結(jié)果項(xiàng) 目單位性能保證值工況1負(fù) 荷MW3003

17、01脫硝效率%6063.35氨逃逸6%O2µL/L3.01.62SO2/SO3轉(zhuǎn)化率%1.00.29催化反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和反應(yīng)物濃度分布越均勻，化學(xué)反應(yīng)的效率越有保障，而SCR反應(yīng)器入口處的流動(dòng)、溫度和反應(yīng)物濃度的分布的均勻性更是顯得尤為重要，因?yàn)槿肟谔幍臓顩r將影響SCR的整體性能。為了更加清楚的分析SCR反應(yīng)器的運(yùn)行特性，參照鍋爐性能試驗(yàn)的方法在SCR進(jìn)出口的煙道取24個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量其局部的煙氣流速、氧量、溫度、NOx含量等等，按算術(shù)平均值（如下式4-4）計(jì)算出其截面參數(shù)的平均值1 用表示。所有空間點(diǎn)上Xi的均方差用表示，流動(dòng)速度、溫度和反應(yīng)物濃度等物理量的不均勻度常用偏差Cv

18、（coefficient of variation）來(lái)表述參數(shù)在煙道截面的均勻程度23，則有：（2）式中：.（3）（4）高性能指標(biāo)的SCR系統(tǒng)，主要是指氨的低逃逸率和NOx的高脫除率，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證獲得流動(dòng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和反應(yīng)物濃度場(chǎng)的相應(yīng)均勻程度。1.2.2.1 脫硝效率對(duì)SCR系統(tǒng)的性能考核標(biāo)準(zhǔn)主要集中在脫硝率以及出口NOx的濃度偏差系數(shù)Cv兩個(gè)指標(biāo)上。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，其反應(yīng)器的平均脫硝率為64.35，脫硝效率性能指標(biāo)滿足首期60%要求。1.2.2.2 出口NOX分布調(diào)節(jié)從SCR出口NOX濃度數(shù)據(jù)可知，B反應(yīng)器出口NOx的濃度分布不均勻，如圖6，其Cv達(dá)到47.4%，超過(guò)了30，不能達(dá)

19、到國(guó)家規(guī)定的項(xiàng)目達(dá)標(biāo)要求，為此特調(diào)節(jié)供應(yīng)管道上的手動(dòng)節(jié)流閥以得到比較均勻的出口NOx的濃度分布。每個(gè)反應(yīng)器各有9根供應(yīng)支管，每根支管上面有3個(gè)噴嘴，共27個(gè)噴嘴，這27個(gè)噴嘴組成了右半部分和左半部分雙層噴射面。在SCR系統(tǒng)運(yùn)行初始時(shí)的所有氨的噴射支管上的流量孔板都在中間位置，測(cè)得此時(shí)各管的壓差數(shù)值。在初始工況，各噴氨支管的手動(dòng)節(jié)流閥都在中間位置。在此工況下，左右墻各支管的氨流量基本相等，前墻各支管的氨流量也基本相同，即兩層噴射格柵的噴氨量基本均勻。在考慮了反應(yīng)器入口的煙氣流速分布之后，我們認(rèn)為B1、B2處煙氣流速過(guò)小使得該處的氨氮比遠(yuǎn)高于其他位置，造成出口NOx濃度偏差過(guò)大的主要原因。因此需要

20、降低該處的噴氨量，將該處支管的手動(dòng)節(jié)流閥減小，而在此工況下出口NOx的濃度偏差的到明顯下降（如圖6），此時(shí)NOx的濃度偏差系數(shù)Cv降到24.39%，達(dá)到項(xiàng)目驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。圖5 SCR-A反應(yīng)器出口NOX濃度偏差圖6 B-SCR出口濃度偏差（調(diào)整前后）1.2.2.3 NH3逃逸率從試驗(yàn)結(jié)果看，試驗(yàn)工況下，氨逃逸6%O2為1.62µL/L，小于性能保證值3µL/L。SCR反應(yīng)器內(nèi)的催化劑按照“21”模式布置，初裝2層。催化劑的性能保證期為20000小時(shí)，在性能保證到期時(shí)的脫硝效率與氨逃逸分別為60%與3µL/L。催化劑活性的惰化、催化劑小孔的堵塞、煙氣流速及NH3/NO分

21、布不均勻等對(duì)脫硝性能均有影響，為了彌補(bǔ)這些因素的影響，國(guó)外在初裝催化劑時(shí)一般會(huì)預(yù)留3050%裕量。因此在性能考核試驗(yàn)時(shí)，氨的逃逸較小。本工程兩臺(tái)鍋爐的脫硝裝置通煙氣時(shí)間已經(jīng)超過(guò)一年，這會(huì)導(dǎo)致催化劑活性有一定程度的降低，并增加氨的逃逸。1.2.2.4 SO2轉(zhuǎn)化率因SCR反應(yīng)器入口煙氣溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，致使SO2/SO3轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率僅為0.29%，小于性能保證值1.0%µL/L。SCR脫硝反應(yīng)發(fā)生在含有SO2的煙氣中，SO2會(huì)在催化劑的作用下被氧化成SO3。這一反應(yīng)對(duì)于SCR脫硝反應(yīng)而言是非常不利的。因?yàn)镾O3可以和煙氣中的水以及NH3反應(yīng)，從而

22、生成硫酸氨和硫酸氫氨。而這些硫酸鹽(尤其是硫酸氫氨)可以沉積并集聚在催化劑表面。在溫度為200290的范圍內(nèi)，煙氣中的氨與SO3和H2O反應(yīng)生成硫酸氫氨（NH4HSO4）：NH3+SO3+H2O= NH4HSO4。（5）為防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，SCR反應(yīng)的溫度至少要高于300。而從測(cè)試SCR入口的煙溫均在300以上，其轉(zhuǎn)化率較小。速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和NH3/NOx摩爾比分布的不均勻性，對(duì)不同設(shè)計(jì)脫硝率的影響是不一樣的，當(dāng)要求脫硝率高的時(shí)候，速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和NH3/NOx摩爾比分布的均勻度要求也高。一般來(lái)講，僅僅保證在額定運(yùn)行狀態(tài)下達(dá)到均勻度要求是比較容易做到的，而為了能夠使所有的運(yùn)行狀態(tài)都能達(dá)到最佳的結(jié)果，則要困難得多，只有采取一系列綜合措施才行。這些措施通常包括氨噴射截面上流動(dòng)的調(diào)整、相連管道中流動(dòng)的調(diào)整以及反應(yīng)器入口處流動(dòng)的調(diào)整。當(dāng)火電廠SCR裝置投運(yùn)之后，為保持SCR裝置高效、經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行，對(duì)噴氨格柵的調(diào)整、催化劑的管理和控制氨逃逸量就將成為火電廠主要的工作。1.3 小結(jié) (1)、SCR系統(tǒng)的性能考核標(biāo)準(zhǔn)主要集中在脫硝率以及出口NOx的濃度偏差系數(shù)Cv兩個(gè)指標(biāo)上，雖然