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SCR脱硝系统问题诊断及原因分析

发表时间:2018-11-05

万纯SCR脱硝系统


SCR脱硝系统使用过程中,业主们难免遇到一些问题,例如:出口断面NOx分布不均;烟气流场不均;催化剂磨损、堵塞、中毒等;氨逃逸升高、脱硝效率降低;CEMS数据代表性差;还原剂耗量升高;空预器结垢堵塞等。本文把目前燃煤电厂脱硝装置运行中出现的典型问题加以归纳总结,通过性能试验深入分析原因,并提出改进的措施和相关建议。


1. 出口断面NOx分布不均


1.1 CEMS数据分析


江苏省目前脱硝CEMS在线联网大机组135台, 2017年4月我们对所有联网大机组脱硝出口和烟囱入口处CEMS显示NOx小时平均浓度(6%氧量折算后)进行了统计数据,分析的结果见下表:


1.jpg


从表1 可以看出,接近一半的燃煤机组脱硝出口和烟囱入口的NOx浓度差值的绝对值高于15 mg/m3,两处的NOx浓度值不一致的情况很严重,且普遍存在烟囱入口NOx浓度高于脱硝出口NOx浓度的现象。一方面是由于CEMS单点取样方式导致取样数据有限,不具有代表性;另一方面是脱硝出口NOx浓度场分布不均非常普遍,CEMS很难采集到理想的数据。


1.2 典型案例分析


某典型的1000MW超超临界机组加装了烟气脱硝系统,改造完后脱硝系统运行正常,NOx排放浓度满足环保排放标准要求,但机组脱硝出口处CEMS显示的NOx浓度值一直低于烟囱入口处CEMS显示的NOx浓度值,影响脱硝改造正常的验收工作,电厂怀疑可能是脱硝出口NOx浓度分布不均造成的这一现象,于是委托我们对该机组脱硝系统进行了相关的性能试验。


机组负荷稳定在900MW及脱硝系统正常运行的条件下,我们用网格法对脱硝系统A、B反应器出口的NOx浓度进行了试验,横向选取了7个测孔(偶数测孔),每个测孔纵向深度依次选取5个测点,测试仪器为红外烟气分析仪,采样枪长5m,脱硝出口CEMS采样枪长1.5m,具体试验结果如下图。


2.jpg


从图1、图2可以看出,脱硝系统A、B反应器出口均存在NOx浓度分布不均匀现象,烟道横截面由北向南NOx浓度逐渐降低,南侧(靠近省煤器侧)NOx浓度远低于北侧(远离省煤器侧)。CEMS测点正好位于南侧,从而导致CEMS显示值低于脱硝出口实际NOx排放浓度,即烟囱入口处的CEMS显示值(烟囱入口CEMS测点处NOx浓度场分布较为均匀)。


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反应器A侧出口NOx实测平均浓度为48.4 mg/m3,反应器B侧出口NOx实测平均浓度为53.3 mg/m3,从表2可以看出,CEMS监测的数据分别为14.4 mg/m3和20.2 mg/m3,远低于烟囱入口NOx浓度42.6 mg/m3。


1.3 原因分析及建议


反应器入口烟气流速分布不均匀,烟气速度高的区域单位时间通过的烟气量过大,影响催化还原反应,脱硝效率降低,导致NOx的排放浓度升高,反之,烟气流速低的区域NOx排放浓度较低。该脱硝系统反应器入口设置有导流叶片、整流格栅,以保证烟气在进入第一层催化剂时气流分布均匀,但是由于在安装的过程中可能存在尺寸和位置的偏差,容易造成反应器远离省煤器端烟气流速较高,靠近省煤器端烟气流速较低,从测试的数据也可以看出,远离省煤器端NOx浓度远高于靠近省煤器端NOx浓度,由北向南NOx浓度逐渐降低,所以我们判断是反应器入口的烟气流速不均匀而造成的脱硝出口NOx浓度分布不均。


建议对机组脱硝系统重新进行流场模拟计算,在机组停修时,对脱硝系统入口烟气导流挡板进行调整和修正,从而保证烟气在进入第一层催化剂时气流分布均匀;每间隔一段时间对脱硝系统进行喷氨优化调整试验,使脱硝系统出口断面NOx排放浓度分布均匀,减少因局部喷氨量过高造成氨逃逸量高的现象;在脱硝系统出口烟道适当增加CEMS监测点位,使得CEMS监测的数据更具有代表性,为电厂运行人员提供准确的参考依据。


2. 脱硝催化剂磨损


2.1典型案例


某330MW燃煤发电机组,锅炉为亚临界自然循环汽包锅炉,单炉膛P型露天布置,脱硝系统采取SCR工艺,设置两台SCR反应器,采用高灰型工艺布置(即反应器布置在锅炉省煤器与空预器之间),采用独立支撑结构。催化剂装填采用2+1形式,先装2层,预留1层,在锅炉燃料用设计燃料煤种100%负荷时脱硝装置的效率80%(入口NOx 浓度≤400 mg/Nm3)。脱硝装置不设烟气旁路,设有声波吹灰装置。


机组停机检修时,发现局部催化剂严重磨损、磨穿,部分催化剂堵塞严重,脱硝入口积灰严重,烟气导流挡板脱落等情况。


2.2 原因分析及建议


1. 催化剂制造、运输及安装过程受损。一方面脱硝催化剂机械强度等质量指标受工艺、生产线及整体技术水平影响很大,如果催化剂厂家生产出的催化剂机械强度等指标不满足设计要求,或质量不达标,就会造成催化剂安装运行后出现磨损、穿透的现象;另一方面催化剂本身的机械强度不高,在运输、吊装、转运、安装等过程中易受到挤压、撞击,从而造成催化剂机械强度的受损,也会导致上述现象的发生。


2. 反应器烟气流场分布不均。由于脱硝入口烟气导流挡板脱落,引起脱硝第一层催化剂处烟气流场分布不均,导致局部烟气流速过高或过低,烟气流速对催化剂磨、堵塞损影响较大,流速高的地方催化剂磨损严重,甚至被磨穿透;烟气流速低的地方,催化剂堵塞明显,引起局部催化剂失效,并显著提高未堵塞区域烟气流速。


3. 烟尘含量影响。SCR脱硝系统布置于高尘区,烟尘含量、粒径对催化剂的磨损均有较大影响,机组燃烧煤种灰分高于脱硝系统的设计值,或磨煤机运行工况不佳,均会加速催化剂的磨损,减少催化剂的使用寿命。



4. 声波吹灰器影响。声波吹灰器通过振动让附着在催化剂上的烟尘脱落,烟尘脱落后被烟气带走。声波吹灰器的优点主要是对催化剂损伤较小,缺点是吹灰效果相较于蒸汽吹灰器差。声波吹灰器在机组初始投运时,运行效果较好,但运行一段时间后,催化剂各部位积灰情况存在差异,声波吹灰器吹灰效果的减弱,会加剧局部催化剂堵塞,导致催化剂未堵塞区域烟气流速加快,使该区域催化剂冲刷、磨损严重。


通过以上分析,建议机组停修期间需要及时对脱硝入口烟气导流挡板重新设计、安装,避免入口无烟气导流挡板造成局部烟气流速过高或者过低,导致催化剂的磨损或堵塞,影响脱硝出口NOx排放浓度及氨逃逸量;脱硝催化剂运行一段时间后,其催化活性和机械强度均存在一定程度的降低,需要定期对每层催化剂取样进行鉴定分析,判断其机械强度是否满足使用要求,如果催化剂机械强度较低,磨损严重,就需要及时更换新催化剂,以保证脱硝系统的正常安全运行。


3. 喷氨量偏差大


3.1典型案例


某电厂600MW超超临界2号燃煤发电机组,锅炉型号为HG-1792/26.15-YM1,脱硝系统采用SCR工艺,催化剂装填采用2+1形式,装2层,预留1层。2号机组按照计划进行停修,停机之前,2号机组SCR脱硝系统运行稳定,脱硝系统A、B反应器的脱硝效率和喷氨量均基本接近。当2号机组停机检修结束重新启动后,脱硝系统正常投运,但脱硝系统B反应器喷氨量与机组大修前相比,高出一倍以上,且居高不下,B反应器供氨调阀开度已接近全开,B反应器出口NOx浓度高于A反应器,B反应器脱硝效率远低于A反应器。A反应器脱硝效率和喷氨量在机组大修前、后接近,无明显变化。


3.2原因分析


3.2.1催化剂差压分析


根据现场实测数据和查看机组运行数据,得知脱硝系统A、B反应器差压都出现不同程度的下降,下降幅度约100~150Pa,因为检修人员在机组检修期间对堵塞的催化剂进行了清灰,造成大修后脱硝系统差压下降,并对A、B反应器各层催化剂进行检查未发现明显磨损、穿透现象,基本排除B反应器催化剂大面积堵塞或穿透而引起B反应器脱硝效率的降低。


3.2.2 脱硝效率分析


为进一步分析造成B反应器喷氨量偏高的原因,对2号机组脱硝系统入口、第一层催化剂出口、脱硝系统出口NOx浓度进行现场测试。测试数据如下表:


4.jpg


从现场实测的数据可以看出,A、B反应器入口NOx浓度接近,相差约30 mg/Nm3,不足以导致B反应器喷氨量高于A反应器喷氨量2倍多,从而排除B反应器入口NOx浓度远高于A反应器而造成的喷氨量差异大;从B反应器第一层催化剂出口NOx浓度、脱硝出口NOx浓度及脱硝效率可以看出,B反应器催化剂未发生明显的性能下降或失效,从而排除由于催化剂性能下降或失效而造成B反应器喷氨量偏高的情况。


3.2.3 氨气流量装置分析


在测试期间,对氨气流量测量装置进行检查分析。该测量装置为孔板流量计,在脱硝投运状态,检查氨气差压变送器,变送器显示差压值出现超量程情况,将变送器平衡阀打开后差压值仍较高,从而判断应该是流量孔板发生堵塞,造成管道通流截面变小,导致孔板前后差压测量值居高不下,也就造成喷氨流量值“虚高”的情况。流量孔板堵塞后,实际喷氨量减少,运行人员为了保证脱硝效率及控制脱硝出口NOx浓度不超标,喷氨调阀开度相应增大,直到全开,就出现了B反应器喷氨量高于大修前2倍多的现场。


依据分析结果,检修人员对B反应器喷氨管路的流量孔板进行检查,发现孔板处通流截面几乎完全堵塞,供氨调阀位置也有堵塞现象,我们分析可能是供氨管道内残留的杂质和液氨结晶物造成堵塞。检修人员将供氨管道堵塞部位彻底清理后,重新投入B反应器脱硝系统运行,喷氨量大幅降低恢复到大修前水平,B侧调节阀开度和A侧也基本一致,B反应器喷氨偏高问题得到解决。


4. 结论


(1)SCR脱硝系统出口NOx浓度不均与现象普遍存在,造成该现象的原因很多,脱硝系统入口流场不均匀,喷氨量分配不均匀,催化剂局部堵塞或失活等均可导致该现象的发生,需要及时对脱硝入口流场进行优化设计,进行喷氨优化调平,减少局部的氨逃逸量,消除机组潜在运行风险。


(2)脱硝系统供氨管道及阀门堵塞现象时常发生,一方面需要加强对供氨管道的日常吹扫和人工清堵,保证供氨管道的清洁通畅;另一方面,对入厂液氨的品质要严格控制,纯度要达到99.8%以上,品质差的液氨含杂质较多,易引起供氨管道的堵塞;最后,运行人员对供氨管道特别是焊接处要仔细检查,查看是否存在破损或孔洞,如果供氨管道存在破损或孔洞的地方,液氨被空气污染后形成氨基甲酸铵,对碳钢产生剧烈的腐蚀,腐蚀产生的氧化铁也容易堵塞管道。


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