基于性能试验的SCR脱硝系统问题诊断及原因分析
摘要：针对SCR脱硝系统运行存在的普遍问题，如脱硝系统出口NOx浓度分布不均匀、催化剂磨损严重、供氨管道堵塞等，选取典型的实际案例，对脱硝系统进行性能试验，分析每个案例中问题产生的原因，同时提出相应的解决措施。
经过多年的运行，选择性催化还原法（以下简称SCR）脱硝系统一些较为普遍的问题逐步暴露出来，对机组安全、经济运行产生了重大影响。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
1.1CEMS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：
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15mg/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。
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）。
反应器A侧出口NOx实测平均浓度为48.4mg/m3，反应器B侧出口NOx实测平均浓度为53.3mg/m3，从表2可以看出，CEMS监测的数据分别为14.4mg/m3和20.2mg/m3，远低于烟囱入口NOx浓度42.6mg/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.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≤400mg/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：
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30mg/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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