超低排放電站鍋爐SCR脫硝裝置的故障診斷及運行優化研究

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超低排放電站鍋爐SCR脫硝裝置的故障診斷及運行優化研究

潘棟，李淑宏，景雲輝，徐曉濤，舒凱，楊世極，牛國平

（西安熱工研究院有限公司，陝西西安 710054）

摘 要：超低排放改造後脫硝裝置運行控制難度加大，易出現NOx排放不達標或空氣預熱器堵塞加劇等問題，一般通過SCR診斷優化試驗進行處理，而試驗的效果與脫硝裝置的設備情況直接相關：在設備基本無缺陷情況下，診斷優化試驗往往能夠取得良好的效果；而當系統的缺陷較嚴重時，診斷優化試驗則效果不佳，僅能在一定程度上改善原有惡劣工況，此時試驗的作用更多地體現為故障診斷，能夠較為準確地排查出引起脫硝裝置性能下降的可能的原因，為業主採取有針對性的解決措施提供技術依據。

關鍵詞：火電廠；煙氣脫硝；SCR；故障診斷；優化；空氣預熱器

0 引言

隨著環保標準的進一步提高，火電廠現有環保裝置的超低排放改造[1-2]也在全國範圍內迅速展開，目前國內已有大量機組通過了超低排放改造的環保驗收，並取得了相應的電價補貼。超低排放改造後，由於NOx排放要求非常嚴格（≤50 mg/ m3），SCR脫硝裝置對運行和控制的要求非常高，反應器入口NOx濃度分布、煙氣流場分布、噴氨濃度分布等均對整體性能有較大影響，NOx排放難以達到超低要求、逃逸氨超標以及由此引發的空氣預熱器（簡稱空預器）堵塞加劇、低溫省煤器發生堵塞甚至靜電除塵器除塵效率下降等問題時有發生，個別電廠不得不採取降負荷的方式來維持機組正常運行，大大影響了機組運行的經濟性和安全性。一般情況下，採取診斷優化試驗可以有效地解決此類問題，通過對脫硝裝置氨氣噴射系統 （AIG）進行精確調整[3-7]，使脫硝反應器入口NH3/NOx摩爾比分布相匹配，從而消除脫硝裝置出口逃逸氨局部超標，減輕並延緩空預器發生硫酸氫銨沉積堵塞，最終實現空預器的長期低阻力運行，減輕或消除脫硝運行對機組的負面影響。

1 脫硝診斷優化試驗的方法和流程

脫硝診斷優化試驗主要包括摸底測試、診斷優化調整和對比測試3個部分。摸底測試的目的是初步評估脫硝裝置脫硝性能及噴氨分配狀況，診斷優化調整的目的是排查SCR反應器是否存在較大設備缺陷，若沒有則在最大限度上提高反應器出口的NOx分布均勻性，並消除局部逃逸氨超標，對比測試的目的是評估診斷優化試驗的效果，並推算調整後脫硝裝置的最大安全出力。在此過程中，若發現脫硝系統存在較大缺陷且需停爐處理，則診斷優化試驗只能儘可能排查出脫硝設備最有可能的故障原因，便於電廠停爐後進行有針對性的處理。診斷優化試驗流程如圖1所示。

2 診斷優化試驗案例

根據現場的具體情況，診斷優化調整試驗所取得的效果往往不盡相同，大部分電廠通過試驗後能夠取得滿意效果，SCR反應器出口NOx分布均勻（相對標準偏差RSD≤15%或20%），逃逸氨消除局部高點且均不超過 3×10-6（體積分數，下同），而個別電廠則試驗效果不佳，僅能相對改善原有工況，盡量維持機組的安全運行，NOx分布不均和NH3超標的情況依然存在。以下就幾個成功及不成功的案例進行舉例說明。

2.1 診斷優化成功案例

案例1：某電廠1 000 MW機組配套塔式鍋爐，採用SCR脫硝裝置，設一台反應器，催化劑按照 「2+1」模式布置。為達到 「超低排放」要求，脫硝在備用層加裝催化劑，設計脫硝效率為85.7%。投運後供氨量明顯上升，且在高負荷下難以維持超低排放，鍋爐只能採取低氧燃燒方式以降低脫硝裝置入口NOx，大大影響了機組運行的安全性和經濟性。

摸底試驗表明，SCR反應器出口NOx濃度分布偏差較大、逃逸氨嚴重超標。NOx濃度分布相對標準偏差達到111.5%，最大值為253.3 mg/m3，最小值為 7.7 mg/m3；平均逃逸氨體積濃度為27.6×10-6，逃逸氨濃度局部最大值為75.4×10-6，最小值為1.5×10-6。診斷試驗後發現局部噴氨格柵支管堵灰，運行狀態下在線消缺後，經過一系列的優化調整，脫硝裝置出口NOx濃度相對標準偏差降低到16.6%，且消除了逃逸氨超標現象，平均逃逸氨濃度為 1.31×10-6，最大逃逸氨濃度為2.64×10-6，診斷優化試驗達到了預期的目標。試驗前後的NOx和NH3分布對比如圖2～5所示。

案例2：某電廠300 MW機組配套四角切圓燃燒鍋爐，採用SCR脫硝裝置，設2台反應器，催化劑按照 「2+1」模式布置，通過添加備用層催化劑達到超低排放，設計脫硝效率為92%。投運後，空預器堵塞情況較為嚴重，壓差較投運初期上升了約1.6倍，已影響到鍋爐的帶負荷能力。

圖2 調整前SCR出口NOx分布

Fig.2 NOxat SCR outlet before adjustment

圖3 調整後SCR出口NOx分布

Fig.3 NOxat SCR outlet after adjustment

圖4 調整前後SCR出口NOx分布對比

Fig.4 Comparison of NOxat SCR outlet before and after adjustment

圖5 調整前後SCR出口NH3分布對比

Fig.5 Comparison of NH3at SCR outlet before and after adjustment

摸底數據顯示，兩側反應器出口NOx濃度分布均勻性較差，A、B側相對標準偏差分別為56.5%和66.3%；同時發現A、B側反應器均有逃逸氨明顯超標的情況，A、B側逃逸氨局部最大濃度分別為14.0×10-6和17.0×10-6。調整診斷試驗未發現設備存在明顯缺陷。優化調整試驗後A、B側SCR出口NOx濃度相對標準偏差分別下降至15.2%和9.9%，A、B側逃逸氨最大濃度分別下降到2.57×10-6和2.38×10-6，調整前後的NOx和NH3分布對比如圖6～9所示。

圖6 調整前SCR出口NOx分布

Fig.6 NOxat SCR outlet before adjustment

圖7 調整後SCR出口NOx分布

Fig.7 NOxat SCR outlet after adjustment

2.2 診斷優化不成功案例

案例3：某電廠600 MW機組配套四角切圓燃燒鍋爐，採用高灰型SCR脫硝裝置，設2台反應器，催化劑按照 「2+1」模式布置，採用尿素作為還原劑。超低排放改造方式為備用層加裝催化劑，設計脫硝效率為87.5%，改造投產後，在很短時間內NOx排放濃度便無法維持超低排放，且空預器堵塞情況較為嚴重。

摸底試驗數據顯示，A側SCR出口NOx最大值為230.4 mg/m3，最小值為6.4 mg/m3，平均值為53.4 mg/m3，相對標準偏差為120.8%；B側SCR出口NOx最大值為271.7 mg/m3，最小值為6.4 mg/m3，平均值為78.5 mg/m3，相對標準偏差為115.5%。 A側最大逃逸氨濃度為74.6×10-6，最小為1.7×10-6，平均為33.0×10-6；B側最大逃逸氨濃度為72.8× 10-6，最小為4.5×10-6，平均為26.1×10-6。

圖8 調整前後SCR出口NOx分布對比

Fig.8 Comparison of NOxat SCR outlet before and after adjustment

圖9 調整前後SCR出口NH3分布對比

Fig.9 Comparison of NH3at SCR outlet before and after adjustment

診斷調整試驗發現，A、B反應器靠外側區域NOx和NH3均異常高，且無法通過調整噴氨量來降低NOx和NH3，初步推測為催化劑存在磨損或失效情況，停爐後通過實地檢查證實該部分催化劑確實已磨損，如圖10和圖11所示，通過試驗數據判斷故障準確。

催化劑的缺陷在線無法處理，因此優化調整試驗無法達到預期的效果，只能對原惡劣工況略有改善。調整後A側SCR出口NOx最大值為249.1 mg/m3，最小值為 25.4 mg/m3，平均值為75.2 mg/m3，相對標準偏差為101.2%；B側SCR出口NOx最大值為 251.5 mg/m3，最小值為 29.7 mg/m3，平均值為 87.0 mg/m3，相對標準偏差為91.5%。同時逃逸氨濃度試驗結果表明，A側最大逃逸氨濃度達到69.9×10-6，最小為2.9×10-6，平均為30.5×10-6；B側最大逃逸氨濃度達到23.1× 10-6，最小為2.8×10-6，平均為13.8×10-6，如圖12和圖13所示。

圖10 催化劑磨損照片1 Fig.10 The abrasive catalyst

圖11 催化劑磨損照片2 Fig.11 The abrasive catalyst

案例4：某電廠670 MW機組配套四角切圓燃燒鍋爐，採用高灰型SCR脫硝裝置，設2台反應器，催化劑按照 「2+1」模式布置，採用液氨作為還原劑。為達到超低排放要求，在備用層增加催化劑，設計脫硝效率87.5%。投運後存在氨耗量偏大，空預器阻力明顯升高等問題。

摸底試驗數據顯示，A側SCR出口NOx最大值為52.7 mg/m3，最小值為23.7 mg/m3，平均值為40.3 mg/m3，相對標準偏差為22.2%；B側SCR出口NOx最大值為51.6 mg/m3，最小值為31.1 mg/m3，平均值為36.8 mg/m3，相對標準偏差為14.6%。A側最大逃逸氨濃度為12.1×10-6，最小為6.3×10-6，平均為8.9×10-6；B側最大逃逸氨濃度達到12.6× 10-6，最小為5.8×10-6，平均為10.2×10-6。NOx排放濃度能夠達到超低排放要求，但逃逸氨超標嚴重。診斷試驗中發現，通過調整噴氨均勻性，雖然能在一定程度上改善SCR出口NOx的排放均勻性，但無法消除大面積氨超標的現象，特別是在一些脫硝效率略低的位置，逃逸氨依然超標。由此推斷氨的大面積超標可能是由於催化劑的活性下降所致。後經與電廠人員了解，該機組催化劑已運行較長時間，初裝2層已運行近七年，備用層也已運行一年半，因此催化劑活性不足導致性能不達標的可能性很大，試驗數據的結論基本得到了印證。調整前後相關的對比情況如圖14和圖15所示。

圖12 調整前後SCR出口NOx分布對比

Fig.12 Comparison of NOxat SCR outlet before and after adjustment

圖13 調整前後SCR出口NH3分布對比

Fig.13 Comparison of NH3at SCR outlet before and after adjustment

3 結語

根據上述實際案例可看出，噴氨診斷優化試驗能夠取得的效果與脫硝系統的設備情況直接相關：

（1）由於脫硝裝置的非正常運行造成空預器、低溫省煤器堵塞等問題的原因較為複雜，脫硝診斷優化試驗在不同情況下所取得的效果不盡相同。

（2）當脫硝裝置的設備情況較佳、缺陷較小或易於在線消除時，脫硝診斷優化試驗往往能取得較佳的效果，脫硝裝置出口NOx濃度分布的相對標準偏差能夠調整至20%以內，且逃逸氨不超過3×10-6。

（3）當脫硝裝置的缺陷較大且無法在線消除時，如嚴重的流場不均、催化劑活性不足和噴氨格柵結構缺陷等問題，診斷優化試驗則難以取得預期的效果，僅能在一定程度上改善原有惡劣工況，此時優化試驗的作用更多地體現為故障診斷，能夠較為準確地判斷、排查出引起脫硝裝置性能下降的可能的原因，為業主採取有針對性的解決措施提供技術依據。

圖14 調整前後SCR出口NOx分布對比

Fig.14 Comparison of NOxat SCR outlet before and after adjustment

圖15 調整前後SCR出口NH3分布對比

Fig.15 Comparison of NH3at SCR outlet before and after adjustment

（4）建議電廠分兩步進行脫硝診斷優化試驗，檢修前進行摸底試驗和診斷調整試驗，以分析現有裝置存在的問題，檢修期間進行有針對性的處理，檢修後及時進行噴氨優化試驗，調平脫硝出口NOx分布，並消除局部逃逸氨超標現象，降低空預器產生硫酸氫銨沉積的幾率，提高機組運行的經濟性。

參考文獻：

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StudyonFaultDiagnosisandOperationOptimizationforPowerPlantSCRwithUltra-Low Emission

PANDong,LIShuhong,JINGYunhui,XUXiaotao,SHUKai,YANGShiji,NIUGuoping

（Xi』anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi』an710054,China）

Abstract：The operation control of SCR becomes more difficult after the ultra-emission retrofits.Some problems,such as,NOxemission exceeding the guideline standard and extensive air pre-heater blocking,are much easier to happen.Generally,these problems are treated with diagnosis and optimization experiments of SCR(DOES for short).However,the effectiveness of DOES is directly related to the state of the SCR equipments:on the condition of no equipment defects,DOES tends to achieve good results,otherwise,if severe defects existing in the equipments,the effectiveness of DOES is poor,and the improvement on the original bad operation condition is limited.In this situation, the DOES functions is more like the fault diagnosis,which is able to find out the most possible causes for the SCR performance decreasing, and provide the technical evidence for the owner to take effective treatment to deal with the problems.

Keywords：thermal power plant;flue gas denitrification;SCR;fault diagnosis;optimization;air pre-heater

中圖分類號：TM621；X51

文獻標誌碼：A

DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.2017.03.041.05

收稿日期：2016-12-11

作者簡介：潘棟（1975—），男，甘肅臨洮人，碩士，高級工程師，從事火電廠煙氣脫硫、脫硝技術研究。

信息來源：原文載於《中國電力》2017年第3期

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