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实施SCR脱硝对空预器的影响

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   实施SCR脱硝对空预器的影响

选择性催化还原(SCR)技术是目前应用最多而且最有成效的烟气脱硝技术。SCR技术是在金属催化剂作用下,以NH3等作为还原剂,将NOx还原成N2和H2O。同时,烟气中的SO2也被少量氧化成SO3,进而会产生一些不希望的副产品:(NH4)2SO4和NH4HSO4。SCR的主要反应方程式为:

4NH3 + 4NO + O2→ 4N2 + 6H2O

8NH3 + 6NO2 →7N2 + 12H2O

在一定的反应条件下,SCR还会发生下列的副反应:

2SO2 + O2 → 2SO3

NH3 + SO3 + H2O→ NH4HSO4  

2NH3 + SO3 + H2O→ (NH4)2SO4

这些副反应对脱硝过程是不利的,副产品产生的过程很复杂,但是可以通过调节反应条件,主要是反应温度,使其降低到最小。

根据选用的催化剂类型不同,SCR反应器在锅炉尾部烟道的布置有以下三种方案:

n  布置在空气预热器之前;


n  布置在省煤器后的高温电除尘器和空气预热器之间;


n  布置在除尘器和烟气脱硫系统之后。

第一种方案被称为高尘布置方式,是应用最广泛的布置方式(详见图1:SCR示意图)。这种布置的优点是进入反应器的烟气温度达到300~400℃,多数催化剂在这个温度范围内具有足够的活性,烟气不需要再热即可获得较好的脱硝效果。但催化剂处于高尘烟气中,催化剂的寿命会受到一些影响:飞灰中的K、na、Ca、Si、As等微量元素会使催化剂污染或中毒;飞灰磨损反应器并使蜂窝状催化剂堵塞;烟气温度过高会使催化剂烧结或失效。

SCR示意图

虽然有以上的种种缺点,但是在商业装置中,在正常运行范围内,微量元素的污染程度可以接受;采取垂直布置的反应器和吹灰措施也可以解决飞灰堵塞和催化剂腐蚀问题,因此大多数SCR反应器都安装在高灰份的热烟气侧(即第一种布置方式),这样就可以避免需要将烟气加热到催化剂的最佳反应温度而降低了整个系统的热效率。

但是,由于烟气中含有SO2、SO3,容易和从反应器中逃逸的还原剂氨发生反应生成硫酸氢氨。而硫酸氢氨在空气预热器的中温段和低温段的温度区间内具有很强的粘性,容易吸附灰尘堵塞空气预热器,危及空气预热器的正常运行,会迫使锅炉机组停运次数增加,所以必须采取若干针对性的空气预热器改造措施来保证整个系统的正常运行。

1  空气预热器发生硫酸氢铵堵塞的原因及危害

在空气预热器中导致硫酸氢铵形成的原因主要有以下几点:

· SCR催化剂中的V、Mn、Fe等在对主要反应起催化作用的同时,也会对SO2的氧化起催化作用,在燃用含硫煤的锅炉中会将烟气中的SO2氧化为SO3:

2SO2 + O2 → 2SO3

· 进入催化剂中的氨除了与NOx反应或者被氧化之外,就是作为逃逸氨从SCR反应器中排出,任何催化剂都只能尽量地减少氨的逃逸,却无法杜绝。

· 即使脱硝装置设计时采取措施减小氨的逃逸率,结垢还是会经常发生,原因是负荷瞬变期间,气流层化、或氨或NOx的分布不当、或系统控制故障、或催化剂效果降低等引起氨的逃逸率上升。

· SO3与氨接触在适当的温度条件(约在230℃以下)即结合成硫酸氢铵。约在烟气温度230℃以下,SCR运行中未耗尽的氨和烟气中SO3会发生反应,生成硫酸氢铵和硫酸铵。前者具有粘性,会吸附烟气中的灰尘引起堵塞使得空气预热器的换热效率降低乃至无法正常运行;后者则是一种干态粉末,不会产生灰堵的危害,但硫酸氨易分解为硫酸氢铵。形成硫酸氢铵和硫酸铵的化学反应分别为:

NH3 + SO3 + H2O → NH4HSO4  

2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4

空气预热器发生硫酸氢铵堵塞的危害表现为以下几点:

· SO3易与NH3结合产生硫酸氢铵,它会沉积在空气预热器的中温段以及冷段。由于硫酸氢铵在此温度区间内为液态向固态转变阶段,具有极强的吸附性,造成大量灰分沉降在金属表面和卡在层间,引起堵塞。据国外的运行经验,在残留氨浓度3~5ppm时,3~6个月就能使空气预热器阻力上升一倍,迫使停炉停机清理空气预热器的堵灰。

· 由于部分SO2转化为SO3,使得烟气中的硫酸露点温度有所提高,空气预热器低温腐蚀较以前加剧。

· 除此之外,硫酸氢铵本身具有腐蚀性,会对空气预热器中的低碳钢及低合金钢部份产生腐蚀作用。

2 对于硫酸氢铵堵塞的研究结果

2.1 高尘布置方式下产生硫酸氢铵堵塞的温度区间

研究发现,硫酸氢铵析出的最小温度和烟气中的SO3含量、逃逸氨量的关系如图2所示。但在实际的运行中,很大比例的硫酸氢铵首先析出并沉积在粉尘颗粒上,并且随粉尘被带出空预器。由于烟气中飞灰的这种“自清洁”作用,使得产生硫酸氢铵析出的最高壁温大约比硫酸氢铵的露点低了20℃。在假设SO3是10ppm(SOx为866ppm)的情况下,硫酸氢铵的露点、析出点和逃逸氨的对应关系如表所示:

逃逸氨(ppm)

1

2

3

露点(℃)

207

212

215

析出点(℃)

187

192

195

硫酸氢铵析出的最小温度曲线

当烟气温度低于150℃时,产生的硫酸氢氨将会变成固态,可以轻易地被吹灰器除掉。所以在逃逸氨是3ppm的情况下,在空气预热器的热侧产生硫酸氢铵堵塞的温度区间大约为195℃~150℃。

2.2 换热元件的影响

· 换热元件的形状

如果在产生硫酸氢铵堵塞的温度区间内,换热元件不是一块整板,那么在接缝处由于硫酸氢铵吸附飞灰结垢搭桥就会产生堵塞加重的情况。试验证明,硫酸氢铵结垢区域横跨两层换热元件时,由于搭接处的存在使得结垢的速率为原来的4倍。所以要求在产生硫酸氢铵堵塞的温度区间内换热元件必须是一块整板。

· 换热元件的材质(普通碳钢和低合金钢比较)

· 硫酸氢铵堵塞

从图中可以看出,在相同逃逸氨的情况下,普通碳钢和低合金钢抗堵塞能力的差异不大,但低合金钢的堵塞程度稍轻。这是因为两种换热元件的表面光洁度相差不大的原因,低合金钢的光洁度稍好。硫酸氢铵的堵塞程度更加取决于逃逸氨量的大小。在逃逸氨3ppm的情况下,硫酸氢铵的堵塞程度有很大幅度的提高。

· 硫酸氢铵腐蚀

从图中可以看出,普通碳钢和低合金钢表面在硫酸氢铵结垢的区域都发生腐蚀现象。该腐蚀不仅加剧换热元件的表面磨损,而且使金属表面粗糙,金属表面更易积灰。在相同逃逸氨的情况下,普通碳钢和低合金钢的耐腐蚀能力差异不大,但低合金钢的腐蚀程度稍轻。硫酸氢铵的腐蚀程度更加取决于逃逸氨量。在逃逸氨3ppm的情况下,硫酸氢铵的腐蚀能力有很大幅度的提高。

· 搪瓷传热元件

相对于普通碳钢和低合金钢的易腐蚀,搪瓷镀层换热元件在整个使用寿命期内表面光洁度却保持较好。国外的实际经验证明了采用搪瓷镀层换热元件后硫酸氢铵的结垢速率明显降低。国外试验显示在中等和较低的氨逃逸率情况下,搪瓷镀层换热元件表面的结垢非常少。在氨逃逸率为3.3ppm时,搪瓷镀层换热元件表面的结垢只有非搪瓷镀层换热元件的15%。在氨逃逸率为0.7ppm时,搪瓷镀层换热元件表面的结垢只有非搪瓷镀层换热元件的25%。

腐蚀性试验也证明:搪瓷镀层换热元件在硫酸氢铵环境中有更好的耐腐蚀性能。从上图中看出,无论氨逃逸率为3.3ppm还是0.7ppm,采用普通碳钢和低合金钢换热元件时的腐蚀速率约为搪瓷镀层换热元件的10倍。

试验和实践都证明了相对于普通碳钢和低合金钢,搪瓷镀层换热元件的表面在硫酸氢铵环境中不易产生硫酸氢铵结垢;即使产生了结垢也容易清除。

· 传热元件的波形

气流流通通道不封闭的波型元件是指气流沿轴向通过该波型元件时,可以沿径向和斜向流动。气流流通通道不封闭的板型包括DU、DL、CU和FNC等波型,其特点为两块相临的换热元件的连接面呈多点接触。相反,气流流通通道封闭的波型元件采用多连续性线接触将相邻的换热元件隔离,包括NF6、NF3、DNF等板型。


开通道元件(如DU型)由于吹灰介质在通过时会向邻近通道扩散而损失能量,所以不用于硫酸氢铵堵塞的温度区间内或以下温度范围;而采用吹灰穿透能力强的封闭通道元件(如NF型)。上面的测试图表示当吹扫介质通过给定深度的换热元件后所残留的冲击压力,数值越高表示吹扫特性越好。从图中也可以看出,NF型的剩余压头远远高于开通道元件DU型。

图3:NF型传热元件

2.3 吹灰器

研究证明即使是在经过最优化设计和控制的系统中,在空气预热器的冷端加装高效的清灰器也是清除硫酸氢铵堵塞的最有效办法。热端吹灰对于冷端吹灰起到一定的加强作用,但仅有热端吹灰并不能完全清除积灰。同时,试验也证明,由于开通道元件(如DU型)在吹灰介质通过时会向邻近通道扩散而损失能量,所以清除黏附性硫酸氢铵结垢的效率不会太高。

不管采用蒸汽或压缩空气作为吹灰介质,良好的介质品质是防止湿度过大的关键。过多的吹扫次数和过高的压力都是不适宜的,因为这对蓄热元件的使用寿命有不好的影响。清除积灰的关键是选择合适的换热元件表面和材料,而不是靠加强吹灰操作。

2.4 水冲洗

为空预器进行良好的配置和控制脱硝装置氨逃逸率,也就没有必要对空预器进行不定期的水冲洗。然而空预器仍然需要按时进行水洗冲,这样可以清洁换热元件表面的沉积物并且控制该段时间内硫酸氢铵的腐蚀。由于硫酸氢铵具有吸湿性,机组停炉后空预器要尽快进行冲洗。空预器冷、热端同时进行冲洗的效果最好。

同时采用高压和普通压力水冲洗装置可以减少空预器需要的冲洗水量。另外,高压水冲洗装置可以说是保证空预器冲洗干净的唯一手段,主要是根据硫酸氢铵表面覆盖的飞灰的成分和数量而定。

2.5 空气预热器的压力损失和逃逸氨的关系

如果把运行中的逃逸氨量控制在3ppm以下,则压力损失和逃逸氨的关系如图所示。从图中可以看出,在逃逸氨为1、2ppm时,压力损失增加得比较平缓;在逃逸氨为3ppm时,压力损失增加较快。

日本某电厂的经验:连续运行6个月后空气预热器的压力损失增加10%;在不吹灰的情况下连续运行1000小时压力损失增加23%。

日本某电厂的经验曲线

2.6 总结

研究证明硫酸氢铵在回转式空预器上结垢的根本原因,并不是单一因素造成的,而是多种因素的综合作用。在硫酸氢铵沉积的临界温度区域清除这些影响因素后,硫酸氢铵在空预器上的结垢速率就能够减到最小。

3 空气预热器改造的内容和范围

通过研究发现逃逸氨量对运行的影响最大,所以应该首先要求催化剂供货商限制其催化剂的三氧化硫转化率及其氨逃逸率。在运行时通过控制氨注入量把逃逸氨量控制在2ppm以下,最高不得超过3ppm。在停车期间采用高压水冲洗来清灰。运行中,如果压损超过供应商的给定值,必须立即停车冲洗。

在#1炉实施SCR时,为了防止在空气预热器发生硫酸氢铵堵塞,可对已有的空气预热器进行改造。空气预热器改造的内容和范围主要包括:

(1)一般来说,回转式空气预热器的传热元件分为高、中温段和低温段。高、中温段一般选用低碳钢;低温段的腐蚀性较强,一般选用搪瓷传热元件或考登钢等低合金钢传热元件。由于空气预热器的绝大部分中温段和部分低温冷段处于产生硫酸氢铵堵塞的温度区间内,所以为了避免两段的连接间隙内的硫酸氢铵堵塞搭桥而将传统的低温冷段和中温段合并为一段。同时,为了有效清灰,该段内的传热元件采用高吹灰通透性的波形如NF替代原来的DU等波形。这种波形的内部气流通道为局部封闭型,可以保证吹灰介质动量在元件层内不迅速衰减,从而提高吹灰有效深度。NF波形的吹灰穿透性远远优于传统中间层用的DU波形。

改造前后的传热元件对比

这种NF波形虽然能保证吹灰和清洗效果,但换热性能(单位容积中受热面面积)不如原空气预热器用的DU等板型,因此要维持空气预热器排烟温度不上升,必须要增加换热面积,即增加传热元件的高度。

(2) 搪瓷传热元件在传热、防腐性能上优于合金钢,而且价格相对便宜,所以冷段层宜采用搪瓷表面传热元件。硫酸氢铵是强腐蚀物,在空气预热器内部烟气温度范围内,它在230℃左右烟气温度时,开始从气态凝结为液态,具有很强的粘结性,通常迅速粘在传热元件表面并进而吸附大量灰分,从而产生堵灰。采用搪瓷表面传热元件可以隔断腐蚀物(硫酸氢铵和由SO3吸收水分产生的H2SO4)和金属接触,而且表面光洁,易于清洗干净。搪瓷层稳定性好,耐磨损,使用寿命长,一般不低于5万小时。

(3) 空气预热器吹灰器采用双介质(蒸汽、高压水)吹灰器,采用蒸汽作常规吹灰(1.4MPa,370℃,每班1次)。在空气预热器的压降超过设计压降数值的一定倍数时,可以用高压水(10.5MPa,普通工业水)在空气预热器正常运行或停机时清洗。如电厂能提供10.5MPa水源,可以不装高压水泵系统,否则须增加。热端一般考虑增加一台普通吹灰器。

(4) 空气预热器转子等结构需做一些局部修改,如由于冷端元件高度增加后,无法再旁移调换,也要改为从热端吊出等等。

(5) 安装SCR后对运行维护的要求如下:

严格控制SCR出口NH3逃逸率,尽量控制在2ppm以下最大不超过3pm,这是保证空气预热器不堵灰的重要前提。

在烟气阻力上升50%左右时,需对空气预热器进行不停机清洗,打开冷端吹灰器高压水系统,同时投运蒸汽吹灰(保证及时吹干元件表面)。

在用高压水不能有效缓解空气预热器堵灰时,可以在停炉阶段用大流量水冲洗设备以达到彻底清洗转子的目的。

不主张用过高压头蒸汽对空气预热器吹灰,因为长期用很高的压头吹灰,会损坏空气预热器冷端传热元件,通道因元件变形后会更容易堵塞,而且堵塞后很难清理。

空气预热器其它运行要求和常规预热器相同。

4 空气预热器改造后对锅炉系统的影响

(1) SCR操作时其主要反应生成氮气和水汽,对于锅炉烟气量而言,是微量反应,因此对烟气成份参数并无影响。例如:如果某60MW机组的SCR脱氮效率为80%,在BMCR工况下氨的喷入量大约是250kg/h,而烟气量在BMCR工况下是2527200kg/h,氨的喷入量仅为烟气量的万分之一,所以对于烟气体积的影响可以忽略不计。此外由于氨在喷入以前都必须经过加热,因此由于喷入氨气带来的这部分热损失也是可以忽略不计的。

由于SCR反应器及烟道都有适当保温,因此烟气回到空气预热器后温度变化很小,烟气温度最多略微下降2~3℃。在省煤器出口烟气温度变化不大时,空气预热器通过追加热端换热面,排烟温度所受影响较小。但如果冷段堵塞未及时清理,会使排烟温度有所上升,但不足以危及锅炉安全运行。

(2) 安装SCR脱氮装置后,回到空气预热器的烟气流场分布应该均匀,否则会影响空气预热器的换热效果,在一定程度上影响锅炉效率和排烟温度。通过CFD模拟烟气流场,在连接烟道内装设若干导流板可以消除空气预热器进口流场的不均匀性。

(3) 由于传热元件的总高增加,通过空气预热器的烟风阻力通常会增加大约150~200Pa。但如果低温段发生堵灰,则阻力上升较为明显。通常在氨气浓度1ppm以下时,硫酸氢铵生成量很少,空气预热器堵塞现象不明显;如NH3逃逸增加到2 ppm,日本AKK的测试表明,空气预热器在运行6个月,阻力约增加30%;如NH3逃逸增加到3 ppm,空气预热器在运行6个月,阻力约增加50%。这种情况对风机的影响较大。

(4) 一般安装SCR脱氮装置后烟气阻力将大约增加1kPa左右,空气预热器段烟气负压增加较多,空气预热器漏风压差相应增加。虽然在空预器上采用了大量的技术来减小漏风,但这些措施应在有脱硝装置(SCR)的机组上进行重新评估,因为压力增大时这些措施的效果会有一些变化。通常情况下空气预热器的漏风率会增加0.8~1.5%左右。

(5) 空气预热器的使用寿命不受SCR影响。空气预热器除转子结构外其它结构和传统设计基本相同,中低温段元件采用搪瓷表面后,使用寿命也不低于一个大修期。

(6) 空气预热器的使用安全性不受SCR影响。空气预热器各部件工作温区和传统预热器相同,传动系统相同,轴承承载倍率仍在安全范围内。

综上所述,正确进行空预器换热元件的分层布置,为传热元件选择合理的波形和材料,加装有效的清灰装置,可以最大限度地减小锅炉装设脱硝装置后带来的不利影响。这些措施,和脱硝装置控制氨逃逸率的措施一起,可以有效减少空预器需要冲洗的次数,可以基本保证空预器的原有性能,不会危及锅炉的安全运行。总的说来,控制NH3的逃逸量是保证空气预器性能的关键。

技术专家简介: 从事大气污染控制等方面的设计、设备制造、工程总承包等方面工作二十多年。拥有国家专利二十项.主持大中型环保工程项目设计20余项,主持大型环保工程总承包2项,涉及工程投资近3亿元,是(电改袋)施工的主要负责人之一,有丰富的施工组织和管理经验,也是”863“.国内第一台电除尘器改袋式除尘器1600000立方/小时烟气量全套设计方案参与。星火热电厂75吨/小时锅炉袋式除尘,脱硫设计方案主要负责人...2005年11月设计日本帝人三原事务所世界第一台以煤、旧轮胎及少量料制品为混合燃料65T/H高温高压环流化床锅炉(煤、木屑、旧轮胎混合燃料)袋式除尘器,240T/H电袋复合除尘器及脱硫通过日本专家审核,。出口粉尘浓度≤20 mg/ Nm3 。山西左权鑫兴冶炼厂硅冶炼电炉烟气净化除尘,山西安泰焦化厂4000M2至6000M2的大型阻火防爆型脉冲除尘器在焦炉除尘.重庆太极集团制药厂20t/h-75t/h燃煤锅炉袋式除尘及脱硫系统. 济南钢铁股份有限公司第一烧结厂660000 m3/h电袋复合除尘器主设计,山东江泉集团临沂烨华焦化厂6000M2大型阻火防爆型脉冲除尘器整体设计,河南省汝州巨龙实业有限公司75t/h燃煤锅炉烟气电袋复合除尘及脱硫系统工程,河南中孚实业股份有限公司12.5万吨电解烟气净化系统,广西北海高岭科技15平方,25平方电除尘器,黑龙江双鸭山水泥厂100平方和50平方电除尘器,江苏射阳热电有限公司88平方电除尘器,郴州热电130t/h机组脱硝SCR工程,张掖热电2×75t/h机组脱硝SCR工程,华银热电2×75t/h机组脱硝SNCR工程, 毕节热电厂2×130t/h机组脱硝SNCR,绍兴玻璃制品厂脱硝SCR,山东优嘉能源热力有限公司1×40t/h煤粉锅炉烟气超低排放工程SNCR+SCR组合脱硝工艺等。。。。。。

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