SCR 脱硝系统运行与维护研究

辛中强

（秦皇岛发电有限责任公司运行部，河北 秦皇岛 066000）

1 前言

根据环保排放要求，某公司4 台机组分别于2012 年、2013 年相继进行了脱硝项目改造，2015 年又按照环保超低排放要求进行脱硝提效改造，采用选择性催化还原法（SCR）技术。SCR 脱硝系统经过一段时间的运行逐渐暴露出一些问题，而运行问题往往不是单因素造成的，需从燃煤煤质、系统设计安装、脱硝设备状况、催化剂安装、催化剂质量及运行维护等方面进行分析，而运行维护的重点包括燃烧调整、SCR 投运温度的选择、喷氨量控制、吹灰方式选择等。

2 燃烧调整

根据NOx生成机理，煤炭燃烧过程中产生的NOx量与煤炭燃烧方式、燃烧温度、过量空气系数和烟气在炉内停留时间等因素密切相关，NOx生成机理包括热力型、燃料型和快速型。而低氮燃烧是燃煤锅炉氮氧化物排放控制的首选技术，根据锅炉类型、燃用煤种等条件，优选低氮燃烧技术。低氮燃烧技术包括低氮燃烧器、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和烟气再循环等。下面是不同类型NOx生成量与温度关系曲线，由图1 可以看出反映低于温度1350℃时NOx生成量很小，但随着反映温度的升高，NOx生成量显著增加。机组运行期间，风量尽可能维持低限运行，制粉系统增加下层出力，低负荷时注意两台引风机出力均衡。负荷降低时，由于短时空气过剩，会造成SCR 入口NOx浓度突升，调整时要及时降低风量。降至目标负荷后，为避免SCR 入口NOx浓度偏高，根据负荷情况及时停止备用磨。

2.1 燃煤成分

燃煤挥发成分的各种元素比会影响燃烧过程中NOx生成量，煤种O/N 比值越大，NOx排放量越高，所以合理选择煤种是降低NOx排放的主要指标。我公司燃煤大量选用神华煤，通常各台炉SCR 入口NOx浓度均控制在350mg/m3以下。一期70%、二期62%以上负荷，SCR入口NOx浓度控制在250 ～290mg/m3；低负荷SCR 入口NOx浓度会升高30mg/m3。

2.2 过量空气系数和燃烧温度

降低过量空气系数，在一定程度上会起到限制氧浓度的目的，维持足够的停留时间，使燃料中的氮不易生成NOx，而且使部分生成NOx经过均相或多相反应而被还原，采用此方法可有效降低NOx排放量15%～20%。运行中在条件允许情况下，适当减少锅炉总风量，从而降低过量空气系数。下面是热力型NOx生成量与不同过量空气系数和停留时间的关系曲线,由图2 可以看出NOx生成量与炉膛内停留时间和氧浓度的平方根成正比，1t=0.01s；2t=0.1s；3t=1s；4t=10s。

图2

2.3 燃烧温度

降低炉内燃烧温度，可有效减少NOx排放量。燃料中NOx是在燃烧过程中热分解且氧化生成的，生成量随温度的升高而显著增加。

（1）采用低氮燃烧技术，最大限度抑制NOx的生成。（2）运行中合理使用OFA 风。（3）尽量减少上层制粉系统运行时间，煤量较低时，尽量减少上层制粉系统燃煤量。（4）制粉系统停运后及时关闭出口门，减少一次风总量，二次风量随之增加，一二次风配比变化有利于降低NOx的生成。

3 SCR 投运温度的控制

SCR 投运温度一般由催化剂厂家根据燃用煤种含硫率和SO2/SO3转化率确定，运行中要严格执行，SCR 投运温度（300 ～420℃）超出规定范围将对催化剂本身及相关设备造成严重危害。

3.1 低温运行

低温运行时催化剂活性差，化学反应速度慢，为满足脱硝效率要求，只能通过增大喷氨量的方法，从而氨逃逸随之增加，氨逃逸的产生促使硫酸氢氨的生成，从而导致催化剂、空预器的堵塞，增加烟道阻力，大大降低了机组安全性和经济性，另外，长期低温运行也大大降低了催化剂的使用寿命。

3.2 超温运行

超温运行时，催化剂发生化学性质变化，催化剂活性降低，严重时导致催化剂烧损。

3.3 运行维护

在150℃以下，为防止催化剂表面生成凝结水，升温速度不能低于5 ～10℃/min，超过150℃升温速度应不低于60℃/min。

（1）SCR 投入喷氨温度不能低于300℃。

（2）SCR 运行温度不可超过420℃。

（3）SCR 停运时，催化剂温降不可超过60℃，以免温度急剧下降导致催化剂开裂。

（4）温度低于305℃，及时停止喷氨。

（5）为完全去除催化剂内残氨以及防止温度低而产生的催化剂表面吸附，因保持新鲜空气注入5 ～10 分钟。

（6）SCR 停运期间，要保持催化剂干燥状态。

（7）SCR 如长时间低温运行，应定期提高温度运行5h 以上，以便硫酸氢氨得以分解。

（8）SCR 要选择最佳运行温度区间，下面是催化剂活性与温度关系曲线,由图3 可以看出，300 ～400℃催化剂有着较高的活性，能有效保证NOx的脱除效率。

图3

4 运行控制

喷氨量的控制是SCR 运行最重要任务，氨量低不能满足NOx排放要求，喷氨量过大又导致催化剂本体及空预器堵塞以及氨气的损失，因此，要找出影响氨用量的因素，以便合理控制喷氨量。

4.1 影响喷氨量的因素和控制方法

（1）烟气流场不均匀，SCR 入口NOx分布不均，导致喷氨量局部过量，氨逃逸增加，因此反应器设计要进行充分的数模和物模试验，首次投运要进行性能试验和调平试验，每台SCR 装置每年至少进行一次性能评估，并建立跟踪数据库，因SCR 改造投运时，NOx浓度与NH3浓度比例存在不均匀性，氨逃逸浓度升高，因此必须对喷氨的均匀性进行优化，如根据流场设计分区，改变喷嘴型式、形状、尺寸，喷口速度等提高混合均匀度，即将整个SCR 催化装置按照喷氨格栅进行纵向分区，按照每个分区的烟气气氛浓度分布数据，调节喷氨量。机组负荷变化导致烟气流场的变化，脱硝SCR 出口与烟囱入口NOx浓度会发生较大变化，SCR 两侧喷氨量出现偏差，单侧NOx浓度即使降得很低，也难保证烟囱入口合格，为保证烟囱入口NOx浓度小时均值不超标，极力降低另一侧NOx浓度，在安全界限内要短时牺牲氨逃逸。

（2）氮氧化物控制。机组运行期间，风量尽可能维持低限运行，制粉系统增加下层出力，低负荷时，注意两台引风机出力均衡；负荷降低时，由于短时空气过剩，会造成SCR 入口NOx浓度突升，调整时要及时降低风量。降至目标负荷后，为避免SCR 入口NOx浓度偏高，根据负荷情况及时停止备用磨；锅炉燃料风、辅助风挡板开度按低氮燃烧器改造后〈锅炉运行指导卡片〉执行，当A、B 两侧烟气发生偏斜时，可适当调整AA、AB、OFA 挡板开度来降低偏差；烟囱入口NOx浓度控制受SCR 入口浓度、自动调节品质、烟气流场、氧量、烟气混合均匀性以及测量装置等诸多因素影响，控制不当会造成烟气排放超标、液氨耗量大，甚至引起设备损坏。在机组降负荷初期，SCR 入口NOx浓度会瞬时上升，应加强SCR 喷氨自动的监视；启动制粉系统时，SCR 入口NOx浓度上升幅度会更大，机组启停制粉系统，SCR 入口NOx浓度波动较大，易引起烟囱入口NOx浓度超标，人为降低NOx浓度设定值，确保烟囱入口NOx浓度小时均值不超标，如倒换过程中NOx浓度超标较多，倒换结束后，可将供氨自动解除，尽量降低NOx浓度，以满足小时均值不超标，倒换制粉系统及脱硝系统有检修任务时，要提前策划，时间段最好选择半点前区间完成，给降低小时均值提供时间保证。

4.2 喷氨自动控制

喷氨自动控制品质差、供氨调整门线性差，供氨压力波动、烟气分析仪问题均造成喷氨量不能很好地适应燃用煤种和负荷变化。目前有三种典型喷氨自动控制系统：固定摩尔比，固定出口NOx浓度和多参数复合神经网络控制。由于受到烟气取样点位置、装置健康水平以及调门特性等因素的影响，在参数波动较大时，不能满足运行需要，因烟气流速不均匀，而CEMS 仪表的取样点并不具备代表性，对喷氨自动造成一定影响；SCR 反应器出、入口NOx浓度数据采集存在一定的滞后性(即非准确的实时数据)，且CEMS 表计测量存在一定程度的误差，对自动调节也会造成影响；供氨调整门固有的滞后性和线性调节品质差也是影响自动调节的一个因素；目前，我公司SCR 供氨自动调节：逻辑总体上采用串级控制的结构，第一级控制通过调节喷氨流量，达到控制反应器出口NOx浓度的目的；第二级控制通过调节喷氨调门的开度，达到控制喷氨流量的目的。主体逻辑通过入口NOx浓度实际值和出口NOx浓度设定值计算实际所需供氨流量，加入氧量及风煤比作为调节前馈。在SCR出、入口NOx浓度分析仪反吹、标定时，保持PID 偏差调节不变，只根据前馈进行调节，运行中要关注，偏差较大时及时解除自动。另外，供氨调整门自动失灵或线性较差时，应解除自动，参照另一侧供氨量进行手动调整。

4.3 氨逃逸控制

催化剂品质和活性、烟气流场分布、烟气温度、氨逃逸仪表准确性和代表性、效率、燃煤硫值、调节品质等都是影响SCR 反应器氨逃逸的主要因素，氨逃逸超标不但浪费液氨且给设备带来较大隐患。机组不同工况、不同燃烧方式下氨逃逸控制方法和方式也有所不同。2#、3#制粉系统运行时，因SCR 入口NOx浓度摆动较大200 ～350mg/m3，氨逃逸波动较频繁，易引起瞬时超标，此时应加强设定值的改动；1#、2#、3#制粉系统运行时，SCR 入口NOx浓度较稳定，通常情况下，维持在300mg/m3以内，氨逃逸相对较为稳定，正常投入自动；1#、2#、4#和1#、3#、4#制粉系统运行时，同工况下SCR 入口NOx 浓度会增加100mg/m3和70mg/m3左右；2#、3#、4#制粉系统运行时，同工况下SCR 入口NOx浓度会增加70mg/m3左右，供氨量相对较高，对氨逃逸影响也较为明显，运行中应及时调整，必要时解除供氨自动。在机组降负荷初期，SCR 入口NOx浓度会瞬时上升，供氨量随之增加，但随着负荷的趋于稳定，SCR 入口NOx浓度会迅速降低，而此过程中系统已过量喷氨，氨逃逸上涨会较快，而SCR 出口NOx要滞后1 ～2 分钟，负荷趋于稳定后应及时降低NOx设定值或解除自动手动降低喷氨量，氨逃逸稳定后恢复自动。

5 吹灰方式选择和运行维护

5.1 催化剂特性

催化剂是一种易碎的陶瓷性物质；反应器由多个催化剂模块单体组成，易引起脱落；另外，催化剂不能与水接触，否则，引起催化剂分解，活性降低；催化剂内严禁积灰，因灰尘中含有碱金属、碱土金属、卤化物和磷化物等引起催化剂中毒的化学物质，可使催化剂活性降低。

5.2 SCR 吹灰方式

SCR 吹灰方式普遍采用声波吹灰、蒸汽吹灰和联合方式。声波吹灰对催化剂本身伤害较小，但在边缘位置和催化剂微孔内易造成积灰；采用蒸汽吹灰，要加强运行维护和检查，以防损坏催化剂和降低催化剂的活性。

5.3 吹灰要求

采用声波吹灰要保证吹灰压力和压缩空气品质，压缩空气要保证干燥、洁净。采用蒸汽吹灰，首先，吹灰喷嘴与催化剂距离不能小于600mm,压力要控制在0.5 ～0.6MPa,以防对催化剂本身以及密封装置造成伤害，蒸汽严禁带水且蒸汽与催化剂最大温差不能超过100℃。宜采用的吹灰方式为声波连续吹扫加蒸汽定期吹扫的联合方式。

5.4 运行中问题

运行中要加强催化剂前后烟气压差的监视，压差出现上涨趋势要增加吹灰频次，同时查明导致差压上升的原因；如运行中烟气差压突然降低，要根据各参数变化，分析是否存在催化剂脱落的可能，找出导致催化剂脱落的原因，适当降低蒸汽吹灰压力和减少吹灰频次，并确保吹灰蒸汽品质，同时联系催化剂厂家是否催化剂质量问题或催化剂安装问题。

6 结语

运行中加强氮氧化物浓度和氨逃逸的控制水平，减少还原剂耗量，在降低烟气排放污染物的同时也节约了成本，并且也能有效避免硫酸氰胺的生成，保证设备安全，另外，催化剂性能会随实际运行时间的增加而逐渐下降，正确的运行方式不仅能够保证脱硝装置的安全、经济运行，而且能够延长催化剂的使用寿命，在确保烟气排放的基础上降低运营成本。