基于性能試驗的SCR脫硝系統問題診斷及原因分析
摘要：針對SCR脫硝系統運行存在的普遍問題，如脫硝系統出口NOx濃度分布不均勻、催化劑磨損嚴重、供氨管道堵塞等，選取典型的實際案例，對脫硝系統進行性能試驗，分析每個案例中問題產生的原因，同時提出相應的解決措施。
經過多年的運行，選擇性催化還原法（以下簡稱SCR）脫硝系統一些較為普遍的問題逐步暴露出來，對機組安全、經濟運行產生了重大影響。如：出口斷面NOx分布不均；煙氣流場不均；催化劑磨損、堵塞、中毒等；氨逃逸升高、脫硝效率降低；CEMS數據代表性差；還原劑耗量升高；空預器結垢堵塞等。本文把目前燃煤電廠脫硝裝置運行中出現的典型問題加以歸納總結，通過性能試驗深入分析原因，并提出改進的措施和相關建議。
1.出口斷面NOx分布不均
1.1CEMS數據分析
江蘇省目前脫硝CEMS在線聯網大機組135臺，2017年4月我們對所有聯網大機組脫硝出口和煙囪入口處CEMS顯示NOx小時平均濃度（6%氧量折算后）進行了統計數據，分析的結果見下表：
從表1可以看出，接近一半的燃煤機組脫硝出口和煙囪入口的NOx濃度差值的絕對值高于15mg/m3，兩處的NOx濃度值不一致的情況很嚴重，且普遍存在煙囪入口NOx濃度高于脫硝出口NOx濃度的現象。一方面是由于CEMS單點取樣方式導致取樣數據有限，不具有代表性；另一方面是脫硝出口NOx濃度場分布不均非常普遍，CEMS很難采集到理想的數據。
1.2典型案例分析
某典型的1000MW超超臨界機組加裝了煙氣脫硝系統，改造完后脫硝系統運行正常，NOx排放濃度滿足環保排放標準要求，但機組脫硝出口處CEMS顯示的NOx濃度值一直低于煙囪入口處CEMS顯示的NOx濃度值，影響脫硝改造正常的驗收工作，電廠懷疑可能是脫硝出口NOx濃度分布不均造成的這一現象，于是委托我們對該機組脫硝系統進行了相關的性能試驗。
機組負荷穩定在900MW及脫硝系統正常運行的條件下，我們用網格法對脫硝系統A、B反應器出口的NOx濃度進行了試驗，橫向選取了7個測孔（偶數測孔），每個測孔縱向深度依次選取5個測點，測試儀器為紅外煙氣分析儀，采樣槍長5m，脫硝出口CEMS采樣槍長1.5m，具體試驗結果如下圖。
從圖1、圖2可以看出，脫硝系統A、B反應器出口均存在NOx濃度分布不均勻現象，煙道橫截面由北向南NOx濃度逐漸降低，南側（靠近省煤器側）NOx濃度遠低于北側（遠離省煤器側）。CEMS測點正好位于南側，從而導致CEMS顯示值低于脫硝出口實際NOx排放濃度，即煙囪入口處的CEMS顯示值（煙囪入口CEMS測點處NOx濃度場分布較為均勻）。
反應器A側出口NOx實測平均濃度為48.4mg/m3，反應器B側出口NOx實測平均濃度為53.3mg/m3，從表2可以看出，CEMS監測的數據分別為14.4mg/m3和20.2mg/m3，遠低于煙囪入口NOx濃度42.6mg/m3。
1.3原因分析及建議
反應器入口煙氣流速分布不均勻，煙氣速度高的區域單位時間通過的煙氣量過大，影響催化還原反應，脫硝效率降低，導致NOx的排放濃度升高，反之，煙氣流速低的區域NOx排放濃度較低。該脫硝系統反應器入口設置有導流葉片、整流格柵，以保證煙氣在進入第一層催化劑時氣流分布均勻，但是由于在安裝的過程中可能存在尺寸和位置的偏差，容易造成反應器遠離省煤器端煙氣流速較高，靠近省煤器端煙氣流速較低，從測試的數據也可以看出，遠離省煤器端NOx濃度遠高于靠近省煤器端NOx濃度，由北向南NOx濃度逐漸降低，所以我們判斷是反應器入口的煙氣流速不均勻而造成的脫硝出口NOx濃度分布不均。
建議對機組脫硝系統重新進行流場模擬計算，在機組停修時，對脫硝系統入口煙氣導流擋板進行調整和修正，從而保證煙氣在進入第一層催化劑時氣流分布均勻；每間隔一段時間對脫硝系統進行噴氨優化調整試驗，使脫硝系統出口斷面NOx排放濃度分布均勻，減少因局部噴氨量過高造成氨逃逸量高的現象；在脫硝系統出口煙道適當增加CEMS監測點位，使得CEMS監測的數據更具有代表性，為電廠運行人員提供準確的參考依據。
2.催化劑磨損
2.1典型案例
某330MW燃煤發電機組，鍋爐為亞臨界自然循環汽包鍋爐，單爐膛P型露天布置，脫硝系統采取SCR工藝，設置兩臺SCR反應器，采用高灰型工藝布置（即反應器布置在鍋爐省煤器與空預器之間），采用獨立支撐結構。催化劑裝填采用2+1形式，先裝2層，預留1層，在鍋爐燃料用設計燃料煤種100%負荷時脫硝裝置的效率80%（入口NOx濃度≤400mg/Nm3）。脫硝裝置不設煙氣旁路，設有聲波吹灰裝置。
機組停機檢修時，發現局部催化劑嚴重磨損、磨穿，部分催化劑堵塞嚴重，脫硝入口積灰嚴重，煙氣導流擋板脫落等情況。
2.2原因分析及建議
1.催化劑制造、運輸及安裝過程受損。一方面脫硝催化劑機械強度等質量指標受工藝、生產線及整體技術水平影響很大，如果催化劑廠家生產出的催化劑機械強度等指標不滿足設計要求，或質量不達標，就會造成催化劑安裝運行后出現磨損、穿透的現象；另一方面催化劑本身的機械強度不高，在運輸、吊裝、轉運、安裝等過程中易受到擠壓、撞擊，從而造成催化劑機械強度的受損，也會導致上述現象的發生。
2.反應器煙氣流場分布不均。由于脫硝入口煙氣導流擋板脫落，引起脫硝第一層催化劑處煙氣流場分布不均，導致局部煙氣流速過高或過低，煙氣流速對催化劑磨、堵塞損影響較大，流速高的地方催化劑磨損嚴重，甚至被磨穿透；煙氣流速低的地方，催化劑堵塞明顯，引起局部催化劑失效，并顯著提高未堵塞區域煙氣流速。
3.煙塵含量影響。SCR脫硝系統布置于高塵區，煙塵含量、粒徑對催化劑的磨損均有較大影響，機組燃燒煤種灰分高于脫硝系統的設計值，或磨煤機運行工況不佳，均會加速催化劑的磨損，減少催化劑的使用壽命。
4.聲波吹灰器影響。聲波吹灰器通過振動讓附著在催化劑上的煙塵脫落，煙塵脫落后被煙氣帶走。聲波吹灰器的優點主要是對催化劑損傷較小，缺點是吹灰效果相較于蒸汽吹灰器差。聲波吹灰器在機組初始投運時，運行效果較好，但運行一段時間后，催化劑各部位積灰情況存在差異，聲波吹灰器吹灰效果的減弱，會加劇局部催化劑堵塞，導致催化劑未堵塞區域煙氣流速加快，使該區域催化劑沖刷、磨損嚴重。
通過以上分析，建議機組停修期間需要及時對脫硝入口煙氣導流擋板重新設計、安裝，避免入口無煙氣導流擋板造成局部煙氣流速過高或者過低，導致催化劑的磨損或堵塞，影響脫硝出口NOx排放濃度及氨逃逸量；脫硝催化劑運行一段時間后，其催化活性和機械強度均存在一定程度的降低，需要定期對每層催化劑取樣進行鑒定分析，判斷其機械強度是否滿足使用要求，如果催化劑機械強度較低，磨損嚴重，就需要及時更換新催化劑，以保證脫硝系統的正常安全運行。
3.噴氨量偏差大
3.1典型案例
某電廠600MW超超臨界2號燃煤發電機組，鍋爐型號為HG-1792/26.15-YM1，脫硝系統采用SCR工藝，催化劑裝填采用2+1形式，裝2層，預留1層。2號機組按照計劃進行停修，停機之前，2號機組SCR脫硝系統運行穩定，脫硝系統A、B反應器的脫硝效率和噴氨量均基本接近。當2號機組停機檢修結束重新啟動后，脫硝系統正常投運，但脫硝系統B反應器噴氨量與機組大修前相比，高出一倍以上，且居高不下，B反應器供氨調閥開度已接近全開，B反應器出口NOx濃度高于A反應器，B反應器脫硝效率遠低于A反應器。A反應器脫硝效率和噴氨量在機組大修前、后接近，無明顯變化。
3.2原因分析
3.2.1催化劑差壓分析
根據現場實測數據和查看機組運行數據，得知脫硝系統A、B反應器差壓都出現不同程度的下降，下降幅度約100～150Pa，因為檢修人員在機組檢修期間對堵塞的催化劑進行了清灰，造成大修后脫硝系統差壓下降，并對A、B反應器各層催化劑進行檢查未發現明顯磨損、穿透現象，基本排除B反應器催化劑大面積堵塞或穿透而引起B反應器脫硝效率的降低。
3.2.2脫硝效率分析
為進一步分析造成B反應器噴氨量偏高的原因，對2號機組脫硝系統入口、第一層催化劑出口、脫硝系統出口NOx濃度進行現場測試。測試數據如下表：
從現場實測的數據可以看出，A、B反應器入口NOx濃度接近，相差約30mg/Nm3，不足以導致B反應器噴氨量高于A反應器噴氨量2倍多，從而排除B反應器入口NOx濃度遠高于A反應器而造成的噴氨量差異大；從B反應器第一層催化劑出口NOx濃度、脫硝出口NOx濃度及脫硝效率可以看出，B反應器催化劑未發生明顯的性能下降或失效，從而排除由于催化劑性能下降或失效而造成B反應器噴氨量偏高的情況。
3.2.3氨氣流量裝置分析
在測試期間，對氨氣流量測量裝置進行檢查分析。該測量裝置為孔板流量計，在脫硝投運狀態，檢查氨氣差壓變送器，變送器顯示差壓值出現超量程情況，將變送器平衡閥打開后差壓值仍較高，從而判斷應該是流量孔板發生堵塞，造成管道通流截面變小，導致孔板前后差壓測量值居高不下，也就造成噴氨流量值“虛高”的情況。流量孔板堵塞后，實際噴氨量減少，運行人員為了保證脫硝效率及控制脫硝出口NOx濃度不超標，噴氨調閥開度相應增大，直到全開，就出現了B反應器噴氨量高于大修前2倍多的現場。
依據分析結果，檢修人員對B反應器噴氨管路的流量孔板進行檢查，發現孔板處通流截面幾乎完全堵塞，供氨調閥位置也有堵塞現象，我們分析可能是供氨管道內殘留的雜質和液氨結晶物造成堵塞。檢修人員將供氨管道堵塞部位徹底清理后，重新投入B反應器脫硝系統運行，噴氨量大幅降低恢復到大修前水平，B側調節閥開度和A側也基本一致，B反應器噴氨偏高問題得到解決。
4.結論
（1）SCR脫硝系統出口NOx濃度不均與現象普遍存在，造成該現象的原因很多，脫硝系統入口流場不均勻，噴氨量分配不均勻，催化劑局部堵塞或失活等均可導致該現象的發生，需要及時對脫硝入口流場進行優化設計，進行噴氨優化調平，減少局部的氨逃逸量，消除機組潛在運行風險。
（2）脫硝系統供氨管道及閥門堵塞現象時常發生，一方面需要加強對供氨管道的日常吹掃和人工清堵，保證供氨管道的清潔通暢；另一方面，對入廠液氨的品質要嚴格控制，純度要達到99.8%以上，品質差的液氨含雜質較多，易引起供氨管道的堵塞；最后，運行人員對供氨管道特別是焊接處要仔細檢查，查看是否存在破損或孔洞，如果供氨管道存在破損或孔洞的地方，液氨被空氣污染后形成氨基甲酸銨，對碳鋼產生劇烈的腐蝕，腐蝕產生的氧化鐵也容易堵塞管道。
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