SCR对脱硝效率及SO2转化率影响分析-SCR脱硝效率影.doc
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SCR对脱硝效率及SO2转化率影响分析-SCR脱硝效率影
王杭州
（厦门华夏电力公司，厦门，361026）
摘要：
本文通过300MW机组脱硝的性能试验,测试SCR脱硝效率及NOX浓度及其分布试验以及对SO2转化成SO3影响进行测试分析，探讨与分析烟气脱硝工程性能试验所采用的方法、手段及评价依据，为日益增多的烟气脱硝系统提供性能试验的技术借鉴与实践参考。
关键词：
性能试验；选择性催化还原技术（SCR）；SO2
NOx作为燃煤电厂的主要污染物之一，在烟尘与SO2污染逐步得到控制后，正日益引起重视。
影响SCR系统的因素多（烟气条件、环保要求、排烟条件、FGD装置、空气预热器、ESP等设备），投资大，运行成本高，因此，对SCR系统进行现场性能分析研究对于SCR系统内流体流动、传质传热、节能降耗具有重要的意义。
SCR系统各种参数（脱硝效率、NOx浓度、烟气流量与温度等）之间有着非常紧密的联系，其中的脱硝效率是所有参数中最关键、最核心的因子。
参数之间、注氨格栅以及烟气流体分布的优化与调整，对SO2的转化率的程度等，对整套SCR系统的科学与经济运行有着重要的促进作用。
本文通过300MW机组脱硝的性能试验,测试SCR脱硝效率及NOX浓度及其分布试验以及对SO2转化成SO3影响进行测试分析，探讨与分析烟气脱硝工程性能试验所采用的方法、手段及评价依据，为日益增多的烟气脱硝系统提供性能试验的技术借鉴与实践参考。
1.1样品的采集与测试
测试方法总体描述为：
在每台SCR反应器的进出口烟道截面上，采用网格法（进口28点，出口20点）逐点采集烟气样品，用NGA2000多功能分析仪测量烟气中的NO与O2，以此来获得每台反应器的脱硝效率。
为了分析烟气通过催化剂后的SO2/SO3转化率，需要用化学法在省煤器出口和SCR反应器出口烟道同时采集烟气样品，以分析SO2与SO3浓度。
通过在每台反应器出口5点烟气取样，来分析烟气中的氨逃逸浓度。
1.1.1SCR设计参数
每台锅炉配备两台三分仓容克式空气预热器，在省煤器与空预器之间，由上海电气石川岛电站环保工程有限公司设计安装了两台高灰型SCR烟气脱硝装置。
脱硝反应器采用“2＋1”的催化剂布置模式，初装两层美国康宁公司提供的蜂窝型催化剂（节距7.0mm，22×22孔，0.8mm壁厚），每层催化剂上方安装3只半伸缩式蒸汽吹灰器。
SCR反应器入口安装了格栅式喷氨系统，每台反应器设置9只手动调节阀，采用分区调节的方式来控制喷氨后的NH3/NO分布。
表1SCR装置的设计参数
项目
单位
数据
备注
烟气流量
t/h
1305
Nm3/h
1010466
湿基
入口烟气成分
O2
%
4
干基
H2O
%
8
湿基
SOx
µL/L
500
干基
飞灰浓度
g/Nm3
23
NOx
mg/Nm3
≤450（max600）
干基、6%O2
SCR性参数
NOx（干基）
mg/Nm3
180（首期）45（远期）
脱硝效率
%
60（首期）90（远期）
100%ECR
NH3逃逸
µL/L
≤3
干基，6%O2Vol.
SO2/SO3转化率
%
≤1
系统阻力
Pa
≤1000
喷氨的均匀性是保证良好脱硝效率及减少氨逃逸率的关键，为保证喷氨的均匀性，每个SCR反应器设有9×3根伸入烟道的注氨支管，每根支管上有10个不锈钢喷头，即27根注氨支管与270个喷嘴组成了注氨格栅（AIG）（见图1注氨格栅示意图），均匀地分布在SCR进口侧烟道的截面上。
另外，在注氨支管上设置了流量调节阀、节流孔以及差压计，用于调整注入氨量的均匀性。
图1注氨格栅（AIG）示意图
氨管
调节阀
流量计
烟道
喷嘴
1.1.2NOx与O2浓度测量
在每台SCR反应器的进出口烟道截面上，采用网格法（进口28点，出口20点）逐点采集烟气样品，用NGA2000多功能分析仪测量烟气中的NO与O2，以此来获得每台反应器的脱硝效率。
为了分析烟气通过催化剂后的SO2/SO3转化率，需要用化学法在省煤器出口和SCR反应器出口烟道同时采集烟气样品，以分析SO2与SO3浓度。
此外，每个试验工况都采集了入炉煤和飞灰（空预器出口撞击灰）样品。
在每台SCR反应器的进口和出口烟道截面，采用等截面网格法（进口7×4，出口5×4）布置烟气取样点（图2），分析各采样点烟气中的NO与O2含量，从而获得烟道截面的NO与O2分布，并计算每台反应器的脱硝效率。
每台SCR反应器的进出口均已安装了NO和O2浓度在线分析仪，通过测量烟道截面的NO与O2浓度分布，可找出在线监测分析仪的显示值与实际NO与O2浓度之间的关系，以此来连续监测每个试验工况期间的脱硝效率波动。
空预器
省煤器
第一层催化剂
第一层催化剂
备用层
SO2、SO3
NO及O2
取样点
注氨
NO、O2
取样点
图2NO与O2浓度的采样点
采样泵1
采样泵2
过滤器
冷凝器
预过滤器
蠕动泵
混合器
取样管
烟气中的NO浓度的测量参考美国EPA－7E标准。
采用ROSEMOUNT公司的NGA2000型烟气分析仪逐点测量。
首先用不锈钢管将烟气引出至烟道外，然后经过水洗除尘、除氨器除氨、烟气预处理装置清洁、除湿、冷却，最后接入NGA2000型烟气分析仪进行分析。
NOx取样与分析系统见图3。
每个试验工况结束后，根据各取样点的NO与O2浓度，将NO修正到6%氧量下，加上5%NO2，可获得各取样点的NOx浓度。
图3NO和O2的取样分析系统
1.1.3NH3逃逸测量
烟气中气态氨的样品采集执行美国EPACTM027标准，图4是样品采集系统的示意图，用硫酸溶液作为氨的吸收液，用离子色谱仪进行浓度分析。
采样点位于SCR反应器出口水平烟道，每侧5个取样孔。
引风机
过滤器
加热器
300℃
H2SO4
取样点
烟气流量计
图4烟气中的NH3取样系统
1.1.4SO2/SO3转化率
在脱硝反应器的进出口烟道同时测量SO2和SO3浓度，可获得烟气通过SCR反应器后的SO2/SO3转化率。
在每台反应器的入口水平烟道选择两个烟气取样孔，采用图4－5所示系统同时采集SO2与SO3样品；在反应器出口水平烟道选取两个烟气取样孔，也采用图5所示系统采集SO3样品。
用离子色谱仪分析所采集样品中的硫酸根离子浓度，可折算出烟气中的SO2、SO3浓度。
SO2/SO3转化率的计算公式如下：
………………
（1）
式中：
－SO2/SO3转化率，%；
－SCR反应器出口的SO3平均浓度，µL/L@6%O2；
－SCR反应器入口的SO3平均浓度，µL/L@6%O2；
－SCR反应器入口的SO2平均浓度，µL/L@6%O2。
采样加热到260℃
石英棉
冷凝管
过滤器
烟气
采样器
干燥器
冰槽
75℃
吸收瓶
图5SO2/SO3采样系统示意图
1.2结果与讨论
1.2.1测试结果
1.2.1.1SCR进出口NOx浓度测试
SCR装置的脱硝效率试验时的脱硝效率设定值、喷氨量、SCR反应器进出口的实测NOx浓度见表2。
SCR脱硝效率（DCS）设定值为60.7~63.9%，实际脱硝效率约为70.51~74.64%。
表2锅炉的脱硝效率
项目
单位
300MW工况下反应器
SCR反应器
B
A
设定脱硝效率（DCS）
%
60.7
63.9
喷氨量－DCS
Nm3/h
113.7
92.4
入口NOx@6%O2（DCS）
mg/Nm3
412.5
438.5
出口NOx@6%O2（DCS
mg/Nm3
185.5
233.1
实测入口NOx@6%O2
mg/Nm3
429.4
423.7
实测出口NOx@6%O2
mg/Nm3
122.7
128.8
实际脱硝效率
%
71.43
69.6
平均脱硝效率
%
70.51
备注：
DCS显示的NOx@6%O2为NO的质量浓度，本表中数据已经转换成NO2的浓度。
1.2.1.2SCR进口NOX浓度分布
表3SCR-A反应器进口NOX浓度分布
NOx-mg/Nm3
@6%O2
A反应器进口
1
2
3
4
5
6
7
1
395.2
398.2
406.0
412.8
428.1
448.2
496.9
2
386.6
382.7
398.6
405.3
464.8
480.4
507.3
3
372.9
392.3
413.9
439.4
462.9
488.7
498.6
4
304.8
344.7
429.7
424.8
450.6
460.3
492.5
最大
507.3
最小
304.8
平均值
428.1
入口分布标准偏差
11.5
表4SCR-B反应器进口NOX浓度分布
NOx-mg/Nm3
@6%O2
B反应器进口
7
6
5
4
3
2
1
1
477.5
463.2
472.9
449.3
448.0
464.9
450.4
2
493.3
468.4
458.9
471.8
424.9
445.1
446.7
3
507.1
473.3
489.4
496.5
451.5
443.1
412.4
4
511.2
509.1
474.9
445.1
471.0
451.0
449.2
最大
511.2
最小
412.4
平均值
465.0
入口分布标准偏差
5.3
1.2.1.3SCR出口NOX浓度分布（以B反应器为例，分别测出调整前后偏差值）
表5SCR-A反应器出口NOX浓度分布（调整后）
NOx-mg/Nm3
@6%O2
A反应器出口
1
2
3
4
5
1
132.1
152.8
160.0
141.2
176.7
2
133.5
155.0
160.9
170.9
148.4
3
127.5
145.5
148.8
143.9
142.1
4
171.4
162.9
179.1
181.2
191.7
最大
191.7
最小
127.5
平均值
156.3
出口分布标准偏差
11.5
脱硝效率
63.5
表6SCR-B反应器出口NOX浓度分布（调整前）
NOx-mg/Nm3
@6%O2
B反应器出口
5
4
3
2
1
1
188.0
208.3
220.0
134.4
35.1
2
196.8
240.8
247.4
125.1
38.0
3
183.5
228.3
202.0
109.6
44.2
4
207.5
223.3
253.6
123.5
26.5
最大
253.6
最小
26.5
平均值
161.8
出口分布标准偏差
47.4
脱硝效率
65.20
表7SCR-B反应器出口NOX浓度分布（调整后）
NOx-mg/Nm3
@6%O2
B反应器出口
5
4
3
2
1
1
135.7
142.1
172.3
138.0
115.7
2
122.0
161.1
187.0
140.5
112.0
3
133.0
159.7
150.2
117.8
103.0
4
165.7
148.2
181.6
129.1
125.7
最大
181.6
最小
103.0
平均值
142.0
出口分布标准偏差
24.39
脱硝效率
69.46
1.2.1.4NH3逃逸
烟气中的气态氨逃逸取样在SCR反应器的出口水平烟道，每侧烟道选择5个取样孔。
氨逃逸取样与脱硝效率的测试同时进行，具体测试结果见表6。
选取2个工况对应的氨逃逸分别为2.66µL/L和1.62µL/L。
表6氨逃逸测试结果（单位：
µL/L@6%O2）
反应器B
反应器A
测点
1
2
3
4
5
5
4
3
2
1
工况
2.66
2.52
1.76
1.34
1.41
1.15
1.10
1.11
1.25
1.89
平均值
1.62
1.2.1.5SO2/SO3转化率
SCR反应器进出口烟气中的SO2与SO3测试数据分析结果汇总于表7。
SO2/SO3转化率约为0.29%。
催化剂的设计运行温度为380℃，实测省煤器出口烟气温度只有364℃与348℃，这不仅降低了催化剂的反应活性，而且抑制了烟气通过催化剂时SO2向SO3的转化。
表7SO2/SO3转化率测试结果
工况
反应器
入口温度
入口SO2
入口SO3
出口SO3
SO2/SO3转化率
SO2/SO3平均值
单位
℃
µL/L@6%O2
µL/L@6%O2
µL/L@6%O2
%
%
300MW工况
B
364
307
0.47
1.79
0.43
0.290
A
266
0.14
0.54
0.15
1.2.2讨论
综上所述，SCR装置的脱硝效率、氨逃逸及SO2/SO3转化率均达到要求。
最终的性能考核结果汇总于表8。
表8SCR性能考核结果
项目
单位
性能保证值
工况1
负荷
MW
300
301
脱硝效率
%
60
63.35
氨逃逸@6%O2
µL/L
≤3.0
1.62
SO2/SO3转化率
%
≤1.0
0.29
催化反应器内的流动场、温度场和反应物浓度分布越均匀，化学反应的效率越有保障，而SCR反应器入口处的流动、温度和反应物浓度的分布的均匀性更是显得尤为重要，因为入口处的状况将影响SCR的整体性能。
为了更加清楚的分析SCR反应器的运行特性，参照锅炉性能试验的方法在SCR进出口的烟道取24个测点测量其局部的烟气流速、氧量、温度、NOx含量等等，按算术平均值（如下式4-4）计算出其截面参数的平均值[1]用表示。
所有空间点上Xi的均方差用σ表示，流动速度、温度和反应物浓度等物理量的不均匀度常用偏差Cv（coefficientofvariation）来表述参数在烟道截面的均匀程度[2][3]，则有：
…………………
（2）
式中：
…………….（3）
………………（4）
高性能指标的SCR系统，主要是指氨的低逃逸率和NOx的高脱除率，要求结构设计能够保证获得流动场、温度场和反应物浓度场的相应均匀程度。
1.2.2.1脱硝效率
对SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv两个指标上。
从试验结果可看出，其反应器的平均脱硝率为64.35％，脱硝效率性能指标满足首期≥60%要求。
1.2.2.2出口NOX分布调节
从SCR出口NOX浓度数据可知，B反应器出口NOx的浓度分布不均匀，如图6，其Cv达到47.4%，超过了30％，不能达到国家规定的项目达标要求，为此特调节供应管道上的手动节流阀以得到比较均匀的出口NOx的浓度分布。
每个反应器各有9根供应支管，每根支管上面有3个喷嘴，共27个喷嘴，这27个喷嘴组成了右半部分和左半部分双层喷射面。
在SCR系统运行初始时的所有氨的喷射支管上的流量孔板都在中间位置，测得此时各管的压差数值。
在初始工况，各喷氨支管的手动节流阀都在中间位置。
在此工况下，左右墙各支管的氨流量基本相等，前墙各支管的氨流量也基本相同，即两层喷射格栅的喷氨量基本均匀。
在考虑了反应器入口的烟气流速分布之后，我们认为B1、B2处烟气流速过小使得该处的氨氮比远高于其他位置，造成出口NOx浓度偏差过大的主要原因。
因此需要降低该处的喷氨量，将该处支管的手动节流阀减小，而在此工况下出口NOx的浓度偏差的到明显下降（如图6），此时NOx的浓度偏差系数Cv降到24.39%，达到项目验收标准。
图5SCR-A反应器出口NOX浓度偏差
图6B-SCR出口浓度偏差（调整前后）
1.2.2.3NH3逃逸率
从试验结果看，试验工况下，氨逃逸@6%O2为1.62µL/L，小于性能保证值3µL/L。
SCR反应器内的催化剂按照“2＋1”模式布置，初装2层。
催化剂的性能保证期为20000小时，在性能保证到期时的脱硝效率与氨逃逸分别为60%与3µL/L。
催化剂活性的惰化、催化剂小孔的堵塞、烟气流速及NH3/NO分布不均匀等对脱硝性能均有影响，为了弥补这些因素的影响，国外在初装催化剂时一般会预留30~50%裕量。
因此在性能考核试验时，氨的逃逸较小。
本工程两台锅炉的脱硝装置通烟气时间已经超过一年，这会导致催化剂活性有一定程度的降低，并增加氨的逃逸。
1.2.2.4SO2转化率
因SCR反应器入口烟气温度远低于设计值，致使SO2/SO3转化率相对较低，从试验结果来看，SO2/SO3转化率仅为0.29%，小于性能保证值1.0%µL/L。
SCR脱硝反应发生在含有SO2的烟气中，SO2会在催化剂的作用下被氧化成SO3。
这一反应对于SCR脱硝反应而言是非常不利的。
因为SO3可以和烟气中的水以及NH3反应，从而生成硫酸氨和硫酸氢氨。
而这些硫酸盐（尤其是硫酸氢氨）可以沉积并集聚在催化剂表面。
在温度为200~290℃的范围内，烟气中的氨与SO3和H2O反应生成硫酸氢氨（NH4HSO4）：
NH3+SO3+H2O=NH4HSO4。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
。
（5）
为防止这一现象的发生，SCR反应的温度至少要高于300℃。
而从测试SCR入口的烟温均在300℃以上，其转化率较小。
速度场、温度场和NH3/NOx摩尔比分布的不均匀性，对不同设计脱硝率的影响是不一样的，当要求脱硝率高的时候，速度场、温度场和NH3/NOx摩尔比分布的均匀度要求也高。
一般来讲，仅仅保证在额定运行状态下达到均匀度要求是比较容易做到的，而为了能够使所有的运行状态都能达到最佳的结果，则要困难得多，只有采取一系列综合措施才行。
这些措施通常包括氨喷射截面上流动的调整、相连管道中流动的调整以及反应器入口处流动的调整。
当火电厂SCR装置投运之后，为保持SCR装置高效、经济、安全的运行，对喷氨格栅的调整、催化剂的管理和控制氨逃逸量就将成为火电厂主要的工作。
1.3小结
（1）、SCR系统的性能考核标准主要集中在脱硝率以及出口NOx的浓度偏差系数Cv两个指标上，虽然SCR脱硝效率达到性能要求，但往往在调试初期NOx的浓度偏差系数Cv过大，甚至随运行时间Cv也可能会变大，调试时可通过调整各喷氨支管的手动节流阀进行细调，使出口NOx浓度控制在合格偏差之内。
（2）、控制氨逃逸对锅炉安全经济运行非常重要，氨逃逸率增加，一方面氨的运行成本增大，另一方面逃逸氨与SO3和H2O反应生成硫酸氢氨（NH4HSO4）机会增加，易造成锅炉后续设备积灰、堵塞等。
（3）、提高脱硝率可能会造成氨逃逸的增加，在保证脱硝率达到要求时，同时要控制氨逃逸的要求。
（4）、SCR反应器入口烟气温度低，致使SO2/SO3转化率相对较低，但在温度低至200~290℃的范围内，烟气中的氨与SO3和H2O反应生成硫酸氢氨（NH4HSO4），因此运行中，重视SO2/SO3转化率同时，注重保证SCR入口烟温在合格范围内，温度过高或过低都不可取。
参考文献：
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[2]K.J.Rogers,P.S.Nolan.SCRReactorPerformanceProfilingandResultsAnalysis[C].
TheU.S.EPA/DOE/EPRICombinedPowerPlantAirPollutantControlSymposium,August
20-23,2001
[3]A.N.Sayre，M.G.Milobowski，ValidationofNumericalModelsofFlowThroughSCR
Units[C].EPRI-DOE-EPACombinedUtilityAirPollutantControlSymposium.August
16-20,1999
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