基于燃煤電廠選擇性催化還原SCR脫硝原理，揭示氨逃逸的原因和對(duì)機(jī)組運(yùn)行的危害。分析認(rèn)為，影響SCR脫硝系統(tǒng)氨逃逸率的因素包括脫硝催化劑性能、煙氣流場均勻性、鍋爐運(yùn)行方式、噴氨控制邏輯、儀器儀表及測量方式等。針對(duì)SCR系統(tǒng)氨逃逸率的影響因素，結(jié)合電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，提出降低氨逃逸率的控制策略，可為國內(nèi)燃煤電廠超低排放改造及SCR系統(tǒng)性能優(yōu)化提供參考。

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，燃煤電廠現(xiàn)有環(huán)保裝置需要進(jìn)行超低排放改造，要求在基準(zhǔn)氧含量為6%的條件下，NOx排放質(zhì)量濃度不高于50mg/m3(標(biāo)態(tài))。脫硝超低排放技術(shù)路線大多采用低氮燃燒器和選擇性催化還原(SCR)組合方式，脫硝效率和NH3逃逸率是衡量SCR脫硝系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。

電廠機(jī)組通過更換或增加催化劑層，實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率，滿足NOx排放要求，同時(shí)控制氨逃逸率在3×10-6以下。

電廠實(shí)際運(yùn)行過程十分復(fù)雜，難以達(dá)到排放指標(biāo)時(shí)，往往通過增加噴氨量來提高脫硝效率，造成氨逃逸率超標(biāo)。過量的逃逸氨和煙氣中的SO3發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫銨，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞、除塵效率下降、催化劑受損等一系列問題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行，降低系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性。

嚴(yán)格控制脫硝系統(tǒng)氨逃逸率已是燃煤機(jī)組運(yùn)行不容忽視的問題。本文通過揭示脫硝系統(tǒng)氨逃逸形成原因、影響因素，探討氨逃逸率控制技術(shù)方法，為國內(nèi)燃煤電廠超低排放改造及實(shí)際機(jī)組運(yùn)行提供參考。

1氨逃逸的生成機(jī)理及危害

燃煤電廠SCR脫硝反應(yīng)器中，NH3選擇性催化還原煙氣中NOx的主要化學(xué)反應(yīng)為:

圖1 NH3和SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)硫酸氫銨形成溫度的影響

2影響氨逃逸率的主要因素

2.1脫硝催化劑性能

脫硝催化劑活性是影響氨逃逸率的根本原因，煙氣溫度、含水率、氧含量、煙塵質(zhì)量濃度等因素均會(huì)對(duì)催化劑活性產(chǎn)生影響。

煙氣中的堿金屬、砷元素等容易引起催化劑中毒，催化劑長期運(yùn)行中發(fā)生燒結(jié)堵塞、腐蝕、硫酸銨鹽和飛灰沉積等，均會(huì)使其活性降低，導(dǎo)致未反應(yīng)的氨量增加。隨著脫硝效率的升高，氨逃逸率呈升高趨勢，當(dāng)脫硝效率高于設(shè)計(jì)值時(shí)，氨逃逸率大幅度增加，如圖2所示。

圖2?SCR脫硝效率和氨氮摩爾比對(duì)氨逃逸率的影響

隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，催化劑活性下降，脫硝效率降低，要維持較高的脫硝效率和較低的NOx排放質(zhì)量濃度，實(shí)際運(yùn)行中往往需要提高氨氮摩爾比，勢必會(huì)導(dǎo)致氨逃逸率急劇增加，進(jìn)一步使催化劑活性降低，引發(fā)惡性循環(huán)。

2.2流場均勻性

煙氣流場均勻性是指SCR脫硝系統(tǒng)入口煙氣來流均勻性及噴氨后氨氮混合均勻性。在煙道的轉(zhuǎn)彎、收縮、擴(kuò)張段，由于流動(dòng)空間的改變，氣流被迫改變運(yùn)動(dòng)方向，出現(xiàn)渦流，造成流動(dòng)速度的分層和改變，導(dǎo)致煙氣流場不均勻。

運(yùn)行過程中，導(dǎo)流板磨損、積灰、噴嘴堵塞、煙氣流量超過設(shè)計(jì)值等因素也會(huì)導(dǎo)致流場不均，影響氨氮摩爾比分布。

圖3氨氮摩爾比分布偏差對(duì)脫硝性能的影響

2.3鍋爐運(yùn)行方式

機(jī)組負(fù)荷、煙溫、燃燒狀況等運(yùn)行參數(shù)對(duì)脫硝效率和氨逃逸率有明顯影響。過高的燃盡風(fēng)率或過高的氧含量可增加SCR入口NOx質(zhì)量濃度，進(jìn)而影響脫硝系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和氨逃逸率。

一般認(rèn)為，SCR反應(yīng)器內(nèi)煙溫降低使催化劑活性下降，導(dǎo)致氨逃逸率增加，煙溫不能長期低于SCR脫硝系統(tǒng)連續(xù)噴氨溫度，否則將導(dǎo)致硫酸氫銨生成和催化劑失活。

也有研究表明，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣在催化劑層停留時(shí)間增加可削弱催化劑活性降低的影響，通過設(shè)定合適的脫硝效率，能夠有效控制系統(tǒng)氨逃逸率。

2.4噴氨控制系統(tǒng)

圖4固定氨氮摩爾比時(shí)SCR噴氨量控制邏輯

由于SCR反應(yīng)器中催化劑反應(yīng)反饋滯后和NOx分析儀響應(yīng)滯后等原因，使得SCR脫硝控制系統(tǒng)存在大滯后性和大延時(shí)性，難以精確控制噴氨量。尤其是機(jī)組變負(fù)荷時(shí)，SCR入口煙氣量或NOx質(zhì)量濃度急劇變化，調(diào)節(jié)的慣性和延時(shí)性容易導(dǎo)致煙囪入口NOx質(zhì)量濃度瞬時(shí)值超標(biāo)。

為了使各工況下滿足超低排放要求，出口NOx質(zhì)量濃度設(shè)置值往往偏低，導(dǎo)致SCR系統(tǒng)噴氨過量，氨逃逸率超標(biāo)。實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)兩側(cè)SCR反應(yīng)器風(fēng)量相差較大時(shí)，兩側(cè)噴氨量過多或過少，噴氨量過多的一側(cè)容易發(fā)生氨逃逸。

此外，NOx質(zhì)量濃度考核點(diǎn)和控制點(diǎn)不一致。環(huán)保考核時(shí)以煙囪入口NOx質(zhì)量濃度測點(diǎn)為準(zhǔn);噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，單側(cè)煙道的SCR反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度為被控量。SCR反應(yīng)器出口測點(diǎn)與煙囪入口測點(diǎn)所測量的NOx質(zhì)量濃度存在不同程度的偏差，影響噴氨量的精準(zhǔn)控制。

2.5測量方法和儀表

由于氨逃逸的量級(jí)非常小，理論計(jì)算很難準(zhǔn)確。相對(duì)于離線手工分析法，原位光學(xué)測量法可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，但光學(xué)測量的準(zhǔn)確度容易受高溫、高塵惡劣工況的影響。

煙氣含塵量大時(shí)，測量探頭受鋼制煙道壁振動(dòng)及溫度變化的影響，會(huì)出現(xiàn)測量不穩(wěn)定或指示飄移現(xiàn)象，導(dǎo)致測量偏差大;同時(shí)，SCR出口煙道煙氣分布不均勻，導(dǎo)致采樣誤差較大，影響氨逃逸量在線監(jiān)測的準(zhǔn)確度。

一般以氨逃逸儀表監(jiān)測的氨逃逸變化趨勢作為運(yùn)行參考，而難以通過儀表值準(zhǔn)確控制噴氨量和氨逃逸率。

3氨逃逸率控制技術(shù)

3.1流場優(yōu)化

實(shí)際運(yùn)行過程中，SCR脫硝系統(tǒng)中氣流流動(dòng)非常復(fù)雜，在煙道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板可有效改善速度分層現(xiàn)象。

導(dǎo)流板后可加裝氣流均布器(在第1層催化劑上方加裝整流格柵等)，利用局部的紊流改善流場速度不均勻的狀況。根據(jù)不同機(jī)組的具體情況，合理設(shè)置導(dǎo)流板的位置、數(shù)量、形式等，在改善流場的同時(shí)要盡可能低地增加系統(tǒng)壓降。

氨噴入之后與煙氣混合的均勻性集中在氨的噴射方式和噴氨后與煙氣的混合兩個(gè)方面，主要取決于噴氨格柵形式及氨煙靜態(tài)混合器的選型與布置。國內(nèi)外開發(fā)并應(yīng)用于工程實(shí)際的噴氨裝置包括線性控制噴氨格柵、分區(qū)控制噴氨格柵和靜態(tài)渦流混合器技術(shù)，技術(shù)對(duì)比見表1。

表13種噴氨方式技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

線性控制噴氨格柵技術(shù)成熟，應(yīng)用最廣;分區(qū)控制噴氨格柵是利用分區(qū)流量調(diào)節(jié)技術(shù)，使噴氨量適應(yīng)煙氣中NOx的分布;渦流混合器技術(shù)使NH3與NOx混合氣體在混合元件誘導(dǎo)下形成穩(wěn)定的渦流或旋流，加強(qiáng)擾動(dòng)，強(qiáng)化湍流擴(kuò)散。

線性控制噴氨格柵和分區(qū)控制噴氨格柵依靠數(shù)量多、口徑小的噴嘴實(shí)現(xiàn)均勻噴氨，但也正因?yàn)檫@一特點(diǎn)，運(yùn)行過程中噴嘴堵塞后，反而難以實(shí)現(xiàn)均勻噴氨，影響氨氮摩爾比分布的均勻性。

靜態(tài)渦流混合器克服了小噴嘴容易堵塞的問題，具有良好的操作彈性，其難點(diǎn)在于靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及開發(fā)高效低阻擾流裝置，縮短混合段距離。

圖5 新型SCR脫硝優(yōu)化控制策略

此外，穩(wěn)定的噴氨量控制取決于高質(zhì)量的氨氣質(zhì)量流量計(jì)、氨量調(diào)節(jié)閥和最佳的控制參數(shù)。在同等設(shè)備和控制條件下，通過控制系統(tǒng)優(yōu)化，改善噴氨時(shí)機(jī)，特別是提高噴氨控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的響應(yīng)速度，避免機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)噴氨量未及時(shí)跟蹤而使氨逃逸率超標(biāo)。

3.3噴氨優(yōu)化調(diào)整

對(duì)于現(xiàn)役SCR脫硝系統(tǒng)，在不改造系統(tǒng)設(shè)備的情況下，通過噴氨格柵優(yōu)化調(diào)整，可改善氨氮摩爾比分布的均勻性。

脫硝系統(tǒng)一般由多個(gè)蝶閥等部件協(xié)同控制噴氨量，需要根據(jù)噴氨格柵截面內(nèi)的流場分布特性對(duì)各支管閥門進(jìn)行調(diào)整，保證良好的氨氮摩爾比分布，使各區(qū)域噴氨量與NOx流場相匹配，提高脫硝效率，避免局部區(qū)域過量噴氨而導(dǎo)致逃逸氨偏高;同時(shí)，可以通過改善反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布均勻性，減小取樣點(diǎn)的測量誤差，優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，提高噴氨量控制的精確度。

4結(jié)論

燃煤電廠超低排放改造對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)提出了新的要求，在實(shí)現(xiàn)較高的脫硝效率的同時(shí)要保證較低的氨逃逸率。影響氨逃逸率的主要因素包括脫硝催化劑性能、機(jī)組運(yùn)行方式、煙氣流場均勻程度、噴氨控制邏輯、測量方法和儀表等。采取以下措施，可有效控制氨逃逸率。

(1)選擇合適的噴氨格柵及氨煙混合裝置，合理布置導(dǎo)流板、整流格柵等，提高SCR脫硝系統(tǒng)煙氣流場均勻性及氨氮混合均勻性，降低氨氮摩爾比分布偏差。

(2)進(jìn)行SCR脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化，通過預(yù)測控制技術(shù)進(jìn)行提前控制，改善控制邏輯的滯后和延時(shí)特性，提升噴氨控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化的響應(yīng)速度。

(3)做好噴氨優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)噴氨量與煙氣中NOx分布相匹配，加強(qiáng)對(duì)噴氨噴嘴、供氨調(diào)節(jié)閥等設(shè)備的檢修維護(hù)，防止出現(xiàn)局部過量噴氨。

(4)通過機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化和爐內(nèi)燃燒優(yōu)化調(diào)整，降低煙氣中NOx的質(zhì)量濃度，并使SCR入口煙氣參數(shù)滿足催化劑性能保證條件;同時(shí)，密切關(guān)注氨逃逸、催化劑壓差、空氣預(yù)熱器阻力等參數(shù)的變化。

(5)做好停爐檢修工作，定期檢查催化劑性能并及時(shí)處理催化劑磨損和堵塞問題，保證較高的脫硝效率，降低氨逃逸率。