SCR尿素热解法脱硝系统主要参数及运行调整.

运行部：李纪红第一部分：脱硝系统简介第二部分：主要系统及参数控制第三部分：脱硝相关计算第四部分：SCR脱硝系统运行中常见问题及对策氮氧化物是造成大气污染的主要污染源之一。通常所说的氮氧化物有多种不同形式：N2O、NO、NO2、N2O3、N2O4和N2O5，其中NO和NO2是主要的大气污染物。我国氮氧化物的排放量中70％来自于煤炭的直接燃烧，电力工业又是我国的燃煤大户，因此火力发电厂是NOx排放的主要来源之一。NOX的产生是燃料燃烧过程中进行热分解，进一步氧化生成的。控制NOx排放的技术指标可分为一次措施和二次措施两类，一次措施是通过各种技术手段降低燃烧过程中的NOx生成量（如采用低氮燃烧器）；二次措施是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除（如SCR、SNCR）。选择性非催化还原法（SNCR），是在无催化剂存在条件下向炉内喷入还原剂氨或尿素，将NOx还原为N2和H2O。还原剂喷入锅炉折焰角上方水平烟道（900℃～1000℃），在NH3/NOx摩尔比2～3情况下，脱硝效率30％～50％。在950℃左右温度范围内，反应式为：4NH3+4NO＋O2→4N2+6H2O当温度过高时，会发生如下的副反应，又会生成NO：4NH3+5O2→4NO+6H2O当温度过低时，又会减慢反应速度，所以温度的控制是至关重要的。该工艺不需催化剂，但脱硝效率低，高温喷射对锅炉受热面安全有一定影响。存在的问题是由于温度随锅炉负荷和运行周期而变化及锅炉中NOx浓度的不规则性，使该工艺应用时变得较复杂。在同等脱硝率的情况下，该工艺的NH3耗量要高于SCR工艺，从而使NH3的逃逸量增加。选择性催化还原法是通过使用适当的催化剂，反应可以在200~450℃的范围内有效进行。在NH3/NOx为1（摩尔比）的条件下，可以得到80%~90%的脱硝率。在反应过程中，NH3有选择性地和NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化。4NH3+5O2→4NO+6H2O选择性反应意味着不应发生氨和二氧化硫的氧化反应过程。然而在催化剂的作用下,烟气中的一小部分SO2会被氧化为SO3,其氧化程度通常用SO2/SO3转化率表示。在有水的条件下,SCR中未参与反应的氨会与烟气中的SO3反应生成硫酸氢铵(NH4HSO4)与硫酸铵((NH4)2SO4)等一些不希望产生的副产品。其副反应过程为:2SO2+1/2O2→2SO32NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4NH3+SO3+H2O→NH4HSO42尿素热解法脱硝系统包括尿素溶解罐系统、尿素溶液储罐系统、计量分配模块系统、尿素溶液热解炉系统、SCR反应器系统、伴热系统、水冲洗系统和加热蒸汽及疏水回收系统。工艺流程SCR烟气脱硝装置的工艺流程主要由尿素溶液制备系统、尿素热解炉系统、催化剂、烟气系统、反应器等组成。核心区域是反应器，内装催化剂。外运来的尿素通过溶解后储存在罐内，通过热解反应后转化为氨气，并将氨气通过喷氨格栅（AIG）的喷嘴喷入烟气中与烟气混合，再经静态混合器充分混合后进入催化反应器。当达到反应温度且与氨气充分混合的烟气气流经SCR反应器的催化层时，氨气与NOx发生催化氧化还原反应，将NOx还原为无害的N2和H2O。在正常运行过程中最重要的运行参数是烟气温度、烟气流速、氧气浓度、SO3浓度、水蒸汽浓度、钝化影响和氨逃逸等。烟气温度是选择催化剂的重要运行参数，催化反应只能在一定的温度范围内进行，同时存在催化的最佳温度，催化剂是SCR技术的核心。SCR装置的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命。其使用寿命又取决于催化剂活性的衰减速度。催化剂的失活分为物理失活和化学失活。典型的SCR催化剂化学失活主要是碱金属（如Na、K、Ca等）和重金属（如As、Pt、Pb等）引起的催化剂中毒。碱金属吸附在催化剂的毛细孔表面，金属氧化物（如MgO、CaO等）中和催化剂表面的SO3生成硫化物而造成催化剂中毒。砷中毒是废气中的三氧化二砷与催化剂结合引起的。催化剂物理失活主要是指高温烧结、磨损和固体颗粒沉积堵塞而引起催化剂活性破坏。SCR催化剂类型及其使用温度范围：氧化钛基催化剂270～400℃;(现场使用的催化剂温度范围为300-400℃，正常运行温度340℃)氧化铁基催化剂:380～430℃;沸石催化剂:300～430℃;活性碳催化剂:100～150℃。SCR催化剂的选取是根据锅炉设计与燃用煤种、SCR反应塔的布置、SCR入口的烟气温度、烟气流速与NOx浓度分布以及设计脱硝效率、允许的氨逃逸量、允许的SO2/SO3转化率与催化剂使用寿命保证值等因素确定的。氧化钛基催化剂的基体成分为活性TiO2,同时添加增强活性的V2O5金属氧化物在需要进一步增加活性时通常还要添加WO3。此外还需添加一些其他组分以提高抗断裂和抗磨损性能。根据烟气中SO2的含量氧化钛基催化剂中V2O5组分的含量通常为1%～5%,在燃用高硫煤时,为了控制SO2向SO3的转化率,V2O5的含量通常不超过2%。(催化剂中TiO2含量＞75%,催化剂中V2O5含量＜1.5%,催化剂中WO3含量＜10%)⑴、TiO2具有较高的活性和抗SO2的氧化性。⑵、V2O5是重要的活性成分,催化剂的V2O5含量较高时其活性也高,因此脱硝效率较高,但V2O5含量较高时SO2向SO3的转化率也较高。⑶、添加WO3则有助于抑制SO2的转化,可将SO2的转化率控制在1%以下。反应温度不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度范围下限时，在催化剂上会发生副反应，NH3与SO3和H2O反应生成（NH4）2SO4或NH4HSO4，减少与NOx的反应，生成物附着在催化剂表面，堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性。这种情况如果在短时间内能回到正常运行的高温区,硫酸氢铵会分解,催化剂性能会恢复。但如果长时间停留在低温区,或在短期内频繁地陷入低温区运行的话,即使再回到高温区,性能也难以恢复.结果会使寿命缩短。因此，应控制在300-400℃之间运行。另外，如果反应温度高于催化剂的适用温度，催化剂通道和微孔发生变形，导致有效通道和面积减少，从而使催化剂失活。温度越高催化剂失活越快。SCR反应器出口烟气中未参与反应的氨(NH3)称为氨逃逸。氨逃逸量一般随NH3/NOx摩尔比的增大与催化剂的活性降低而增大。因此,氨逃逸量的多少可反映出SCR系统运行性能的好坏及催化剂活性降低的程度。在很多情况下,可依据氨逃逸量确定是否需要添加或更换SCR反应塔中的催化剂。SCR系统日常运行中监测氨逃逸量的经济实用方法是对飞灰氨含量进行测试分析。氨逃逸会导致:生成硫酸铵盐造成催化剂与空气预热器沾污积灰与堵塞腐蚀,烟气阻力损失增大;飞灰中的氨含量增大,影响飞灰质量;FGD脱硫废水及空气预热器清洗水的氨含量增大。硫酸铵盐的生成取决于NH3/NOx摩尔比、烟气温度与SO3浓度以及所使用的催化剂成分。在脱硝同时也有副反应发生，如SO2氧化生成SO3（烟气中SO3的生成量取决于2个因素:锅炉燃烧形成的SO3以及SCR反应塔中SO2在催化剂的作用下氧化形成的SO3。SCR设计中通常要求SO2/SO3转化率小于1%。），氨的分解氧化（450℃）和在低温条件下（300°C）SO3与氨反应生成NH4HSO3。而NH4HSO3是一种类似于“鼻涕”的物质会粘附着在催化剂上，隔绝催化剂与烟气之间的接触，使得反应无法进行并造成下游设备（主要是空预器）堵塞。NOx的脱除率对催化剂影响是在一定烟气条件下，取决于催化剂组成、比表面积、线速度LV和空速SV。在烟气量一定时，SV值决定催化剂用量。LV决定催化剂反应器的截面和高度，因而也决定系统阻力。烟气中的飞灰造成催化剂机械磨损：SCR反应器中的催化剂垂直布置，烟气自反应器顶部垂直向下平行催化剂流动，在较大烟气流速下，烟气中的大颗灰粒对催化剂造成较大磨损。其磨损程度主要受燃煤灰分的大小、灰粒的物理特性、催化剂孔道的烟速及催化剂的积灰情况等影响。催化剂的磨损与通过催化剂孔道的烟速立方成正比。图5为某电厂催化剂堵灰造成局部烟气流速增加导致催化剂的大面积磨损、脱硝效率下降、脱硝入口烟道磨损及氨逃逸率增加。烟气中的CaO、碱金属及As2O3造成催化剂中毒，即钙化物中毒、碱金属中毒和砷中毒。（1）飞灰中的CaO与SO3反应，被催化剂表面所吸附形成CaSO4，CaSO4膜覆盖在催化剂表面从而影响NOx与NH3的接触反应；（2）飞灰中的碱金属（最主要的为Na和K）能够与催化剂的活性成分直接发生反应，减少了催化剂的有效活性位，致使催化剂失活。碱金属在水溶下的活性很强，将完全渗透进入催化剂材料中，因此避免水蒸气在催化剂表面凝结，可有效避免此类情况发生；（3）烟气中As2O3随粉尘在催化剂上凝结，覆盖在活性成分上或堵塞毛细孔。烟气中的As2O3气体还很容易与氧气以及催化剂中的活性成分五氧化二钒发生反应，在催化剂表面形成五氧化二砷，导致催化剂活性成分被破坏。对于砷中毒，普遍采用向炉膛内添加1%～2%的石灰石，石灰石中的CaO与气态As2O3反应生成不会使催化剂中毒的固态CaAsO4。反应器内催化剂的堵孔现象，在正常运行时是不会发生的.但是,如异常燃烧情况不断地出现,由灰引起的堵孔偶尔也是可能的。所以有必要监视催化剂层前后的压差。(如堵灰出现,压差会缓慢上升)。压差上升超过规定最大值时，应加强蒸汽吹灰和声波吹灰频次或延长吹灰时间，直至压差恢复正常范围。3.1脱硝效率计算：脱硝效率=（进口NOX浓度－出口NOX浓度）/进口NOX浓度*100%氨氮比17/46*氨逃逸/入口NOX浓度+脱硝效率/100式中：17为氨的分子量46为氮氧化物分子量NOX产生量=燃煤量*NOX产污系数/1000NOX削减量=燃煤量*NOX产污系统/1000*(1-(1-低氮燃烧器效率/100)*(1-脱硝效率/100))NOX排放量=NOX产生量-NOX削减量尿素溶液累计流量*60%*1.14计算是要考虑尿素溶液温度影响尿素水溶液密度浓度对应关系NOX浓度折标NOX浓度（mg/Nm³）（折算前）×15÷（21-氧量）二氧化氮和一氧化氮换算系数（二氧化氮/一氧化氮=1.53）一氧化氮折算二氧化氮=一氧化氮*1.533.1热解炉结晶问题及处理3.1.1现象：3.1.1.1运行过程中发现用于尿素热解系统的一次风流量逐渐降低；3.1.1.2热解炉内压力逐渐上涨，热解炉尾部压力逐渐降低，热解炉压差上涨超出正常值；3.1.1.3电加热器出口风温上涨，加热器因超温保护停止继续加热；3.1.1.4热解炉内和炉尾温度逐步上涨；3.1.2处理：3.1.2.1运行中应保持雾化空气流量在设计值范围内，即18～25Nm3/h，发现喷枪压缩空气流量偏低时要及时检查喷枪、管路是否有堵塞，及时处理，不允许随意调低喷枪雾化压缩空气流量报警值或流量低退出喷枪的逻辑保护；3.1.2.2减少或完全切断尿素溶液进入热解炉的量；3.1.2.3提高热解炉内温度和热解炉尾温度；3.1.2.4全部开启混合风流量调节阀，提高混合风流量；3.1.2.5正常运行时，必须保证热解炉尾温度在340℃以上；热解炉内温度保证在420℃以上；如采取以上措施仍无法使热解炉压差恢复正常值，应采取退出热解炉系统清理尿素结晶沉积物。3.2.1SCR脱硝系统运行工况特点：1、)SCR反应器处于省煤器和空预器之间，含尘量高；2、)飞灰中的SiO2与Al2O3含量高，CaO含量较低，飞灰的粒径较粗；3、)烟气设计温度为300~400℃；4、)空塔烟气平均流速为4~5m/s；3.2.2声波吹灰器的布置及运行方式：每层安装3个声波吹灰器，分3组，同层内每个声波吹灰器为单独一组，组内的声波吹灰器同时发声。12台声波吹灰器，共4层，分12组。一组发声10秒后，间隔40秒，下一组开始发声10s，再间隔40秒，再下一组发声，依次进行，循环反复。堵塞成因：1）、声波吹灰器压缩空气压力低，正常运行中声波