實施SCR脫硝對空預器的影響

選擇性催化還原（SCR）技術是目前應用最多而且最有成效的煙氣脫硝技術。SCR技術是在金屬催化劑作用下，以NH3等作為還原劑，將NOx還原成N2和H2O。同時，煙氣中的SO2也被少量氧化成SO3，進而會產生一些不希望的副產品：（NH4）2SO4和NH4HSO4。SCR的主要反應方程式為：

4NH3 + 4NO + O2→ 4N2 + 6H2O

8NH3 + 6NO2 →7N2 + 12H2O

在一定的反應條件下，SCR還會發生下列的副反應：

2SO2 + O2 → 2SO3

NH3 + SO3 + H2O→ NH4HSO4  

2NH3 + SO3 + H2O→ (NH4)2SO4

這些副反應對脫硝過程是不利的，副產品產生的過程很復雜，但是可以通過調節反應條件，主要是反應溫度，使其降低到最小。

根據選用的催化劑類型不同，SCR反應器在鍋爐尾部煙道的布置有以下三種方案：

n  布置在空氣預熱器之前；

n  布置在省煤器后的高溫電除塵器和空氣預熱器之間；

n  布置在除塵器和煙氣脫硫系統之后。

第一種方案被稱為高塵布置方式，是應用最廣泛的布置方式（詳見圖1：SCR示意圖）。這種布置的優點是進入反應器的煙氣溫度達到300～400℃，多數催化劑在這個溫度范圍內具有足夠的活性，煙氣不需要再熱即可獲得較好的脫硝效果。但催化劑處于高塵煙氣中，催化劑的壽命會受到一些影響：飛灰中的K、na、Ca、Si、As等微量元素會使催化劑污染或中毒；飛灰磨損反應器并使蜂窩狀催化劑堵塞；煙氣溫度過高會使催化劑燒結或失效。

SCR示意圖

雖然有以上的種種缺點，但是在商業裝置中，在正常運行范圍內，微量元素的污染程度可以接受；采取垂直布置的反應器和吹灰措施也可以解決飛灰堵塞和催化劑腐蝕問題，因此大多數SCR反應器都安裝在高灰份的熱煙氣側（即第一種布置方式），這樣就可以避免需要將煙氣加熱到催化劑的最佳反應溫度而降低了整個系統的熱效率。

但是，由于煙氣中含有SO2、SO3，容易和從反應器中逃逸的還原劑氨發生反應生成硫酸氫氨。而硫酸氫氨在空氣預熱器的中溫段和低溫段的溫度區間內具有很強的粘性，容易吸附灰塵堵塞空氣預熱器，危及空氣預熱器的正常運行，會迫使鍋爐機組停運次數增加，所以必須采取若干針對性的空氣預熱器改造措施來保證整個系統的正常運行。

1  空氣預熱器發生硫酸氫銨堵塞的原因及危害

在空氣預熱器中導致硫酸氫銨形成的原因主要有以下幾點：

· SCR催化劑中的V、Mn、Fe等在對主要反應起催化作用的同時，也會對SO2的氧化起催化作用，在燃用含硫煤的鍋爐中會將煙氣中的SO2氧化為SO3：

2SO2 + O2 → 2SO3

· 進入催化劑中的氨除了與NOx反應或者被氧化之外，就是作為逃逸氨從SCR反應器中排出，任何催化劑都只能盡量地減少氨的逃逸，卻無法杜絕。

· 即使脫硝裝置設計時采取措施減小氨的逃逸率，結垢還是會經常發生，原因是負荷瞬變期間，氣流層化、或氨或NOx的分布不當、或系統控制故障、或催化劑效果降低等引起氨的逃逸率上升。

· SO3與氨接觸在適當的溫度條件（約在230℃以下）即結合成硫酸氫銨。約在煙氣溫度230℃以下，SCR運行中未耗盡的氨和煙氣中SO3會發生反應，生成硫酸氫銨和硫酸銨。前者具有粘性，會吸附煙氣中的灰塵引起堵塞使得空氣預熱器的換熱效率降低乃至無法正常運行；后者則是一種干態粉末，不會產生灰堵的危害，但硫酸氨易分解為硫酸氫銨。形成硫酸氫銨和硫酸銨的化學反應分別為：

NH3 + SO3 + H2O → NH4HSO4  

2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4

空氣預熱器發生硫酸氫銨堵塞的危害表現為以下幾點：

· SO3易與NH3結合產生硫酸氫銨，它會沉積在空氣預熱器的中溫段以及冷段。由于硫酸氫銨在此溫度區間內為液態向固態轉變階段，具有極強的吸附性，造成大量灰分沉降在金屬表面和卡在層間，引起堵塞。據國外的運行經驗，在殘留氨濃度3～5ppm時，3～6個月就能使空氣預熱器阻力上升一倍，迫使停爐停機清理空氣預熱器的堵灰。

· 由于部分SO2轉化為SO3，使得煙氣中的硫酸露點溫度有所提高，空氣預熱器低溫腐蝕較以前加劇。

· 除此之外，硫酸氫銨本身具有腐蝕性，會對空氣預熱器中的低碳鋼及低合金鋼部份產生腐蝕作用。

2 對于硫酸氫銨堵塞的研究結果

2.1 高塵布置方式下產生硫酸氫銨堵塞的溫度區間

研究發現，硫酸氫銨析出的最小溫度和煙氣中的SO3含量、逃逸氨量的關系如圖2所示。但在實際的運行中，很大比例的硫酸氫銨首先析出并沉積在粉塵顆粒上，并且隨粉塵被帶出空預器。由于煙氣中飛灰的這種“自清潔”作用，使得產生硫酸氫銨析出的最高壁溫大約比硫酸氫銨的露點低了20℃。在假設SO3是10ppm（SOx為866ppm）的情況下，硫酸氫銨的露點、析出點和逃逸氨的對應關系如表所示：

硫酸氫銨析出的最小溫度曲線

當煙氣溫度低于150℃時，產生的硫酸氫氨將會變成固態，可以輕易地被吹灰器除掉。所以在逃逸氨是3ppm的情況下，在空氣預熱器的熱側產生硫酸氫銨堵塞的溫度區間大約為195℃~150℃。

2.2 換熱元件的影響

· 換熱元件的形狀

如果在產生硫酸氫銨堵塞的溫度區間內，換熱元件不是一塊整板，那么在接縫處由于硫酸氫銨吸附飛灰結垢搭橋就會產生堵塞加重的情況。試驗證明，硫酸氫銨結垢區域橫跨兩層換熱元件時，由于搭接處的存在使得結垢的速率為原來的4倍。所以要求在產生硫酸氫銨堵塞的溫度區間內換熱元件必須是一塊整板。

· 換熱元件的材質（普通碳鋼和低合金鋼比較）

· 硫酸氫銨堵塞

從圖中可以看出，在相同逃逸氨的情況下，普通碳鋼和低合金鋼抗堵塞能力的差異不大，但低合金鋼的堵塞程度稍輕。這是因為兩種換熱元件的表面光潔度相差不大的原因，低合金鋼的光潔度稍好。硫酸氫銨的堵塞程度更加取決于逃逸氨量的大小。在逃逸氨3ppm的情況下，硫酸氫銨的堵塞程度有很大幅度的提高。

· 硫酸氫銨腐蝕

從圖中可以看出，普通碳鋼和低合金鋼表面在硫酸氫銨結垢的區域都發生腐蝕現象。該腐蝕不僅加劇換熱元件的表面磨損，而且使金屬表面粗糙，金屬表面更易積灰。在相同逃逸氨的情況下，普通碳鋼和低合金鋼的耐腐蝕能力差異不大，但低合金鋼的腐蝕程度稍輕。硫酸氫銨的腐蝕程度更加取決于逃逸氨量。在逃逸氨3ppm的情況下，硫酸氫銨的腐蝕能力有很大幅度的提高。

· 搪瓷傳熱元件

相對于普通碳鋼和低合金鋼的易腐蝕，搪瓷鍍層換熱元件在整個使用壽命期內表面光潔度卻保持較好。國外的實際經驗證明了采用搪瓷鍍層換熱元件后硫酸氫銨的結垢速率明顯降低。國外試驗顯示在中等和較低的氨逃逸率情況下，搪瓷鍍層換熱元件表面的結垢非常少。在氨逃逸率為3.3ppm時，搪瓷鍍層換熱元件表面的結垢只有非搪瓷鍍層換熱元件的15%。在氨逃逸率為0.7ppm時，搪瓷鍍層換熱元件表面的結垢只有非搪瓷鍍層換熱元件的25%。

腐蝕性試驗也證明：搪瓷鍍層換熱元件在硫酸氫銨環境中有更好的耐腐蝕性能。從上圖中看出，無論氨逃逸率為3.3ppm還是0.7ppm，采用普通碳鋼和低合金鋼換熱元件時的腐蝕速率約為搪瓷鍍層換熱元件的10倍。

試驗和實踐都證明了相對于普通碳鋼和低合金鋼，搪瓷鍍層換熱元件的表面在硫酸氫銨環境中不易產生硫酸氫銨結垢；即使產生了結垢也容易清除。

· 傳熱元件的波形

氣流流通通道不封閉的波型元件是指氣流沿軸向通過該波型元件時，可以沿徑向和斜向流動。氣流流通通道不封閉的板型包括DU、DL、CU和FNC等波型，其特點為兩塊相臨的換熱元件的連接面呈多點接觸。相反，氣流流通通道封閉的波型元件采用多連續性線接觸將相鄰的換熱元件隔離，包括NF6、NF3、DNF等板型。

開通道元件（如DU型）由于吹灰介質在通過時會向鄰近通道擴散而損失能量，所以不用于硫酸氫銨堵塞的溫度區間內或以下溫度范圍；而采用吹灰穿透能力強的封閉通道元件（如NF型）。上面的測試圖表示當吹掃介質通過給定深度的換熱元件后所殘留的沖擊壓力，數值越高表示吹掃特性越好。從圖中也可以看出，NF型的剩余壓頭遠遠高于開通道元件DU型。

圖3：NF型傳熱元件

2.3 吹灰器

研究證明即使是在經過最優化設計和控制的系統中，在空氣預熱器的冷端加裝高效的清灰器也是清除硫酸氫銨堵塞的最有效辦法。熱端吹灰對于冷端吹灰起到一定的加強作用，但僅有熱端吹灰并不能完全清除積灰。同時，試驗也證明，由于開通道元件（如DU型）在吹灰介質通過時會向鄰近通道擴散而損失能量，所以清除黏附性硫酸氫銨結垢的效率不會太高。

不管采用蒸汽或壓縮空氣作為吹灰介質，良好的介質品質是防止濕度過大的關鍵。過多的吹掃次數和過高的壓力都是不適宜的，因為這對蓄熱元件的使用壽命有不好的影響。清除積灰的關鍵是選擇合適的換熱元件表面和材料，而不是靠加強吹灰操作。

2.4 水沖洗

為空預器進行良好的配置和控制脫硝裝置氨逃逸率，也就沒有必要對空預器進行不定期的水沖洗。然而空預器仍然需要按時進行水洗沖，這樣可以清潔換熱元件表面的沉積物并且控制該段時間內硫酸氫銨的腐蝕。由于硫酸氫銨具有吸濕性，機組停爐后空預器要盡快進行沖洗。空預器冷、熱端同時進行沖洗的效果最好。

同時采用高壓和普通壓力水沖洗裝置可以減少空預器需要的沖洗水量。另外，高壓水沖洗裝置可以說是保證空預器沖洗干凈的唯一手段，主要是根據硫酸氫銨表面覆蓋的飛灰的成分和數量而定。

2.5 空氣預熱器的壓力損失和逃逸氨的關系

如果把運行中的逃逸氨量控制在3ppm以下，則壓力損失和逃逸氨的關系如圖所示。從圖中可以看出，在逃逸氨為1、2ppm時，壓力損失增加得比較平緩；在逃逸氨為3ppm時，壓力損失增加較快。

日本某電廠的經驗：連續運行6個月后空氣預熱器的壓力損失增加10%；在不吹灰的情況下連續運行1000小時壓力損失增加23%。

日本某電廠的經驗曲線

2.6 總結

研究證明硫酸氫銨在回轉式空預器上結垢的根本原因，并不是單一因素造成的，而是多種因素的綜合作用。在硫酸氫銨沉積的臨界溫度區域清除這些影響因素后，硫酸氫銨在空預器上的結垢速率就能夠減到最小。

3 空氣預熱器改造的內容和范圍

通過研究發現逃逸氨量對運行的影響最大，所以應該首先要求催化劑供貨商限制其催化劑的三氧化硫轉化率及其氨逃逸率。在運行時通過控制氨注入量把逃逸氨量控制在2ppm以下，最高不得超過3ppm。在停車期間采用高壓水沖洗來清灰。運行中，如果壓損超過供應商的給定值，必須立即停車沖洗。

在#1爐實施SCR時，為了防止在空氣預熱器發生硫酸氫銨堵塞，可對已有的空氣預熱器進行改造。空氣預熱器改造的內容和范圍主要包括：

(1)一般來說，回轉式空氣預熱器的傳熱元件分為高、中溫段和低溫段。高、中溫段一般選用低碳鋼；低溫段的腐蝕性較強，一般選用搪瓷傳熱元件或考登鋼等低合金鋼傳熱元件。由于空氣預熱器的絕大部分中溫段和部分低溫冷段處于產生硫酸氫銨堵塞的溫度區間內，所以為了避免兩段的連接間隙內的硫酸氫銨堵塞搭橋而將傳統的低溫冷段和中溫段合并為一段。同時，為了有效清灰，該段內的傳熱元件采用高吹灰通透性的波形如NF替代原來的DU等波形。這種波形的內部氣流通道為局部封閉型，可以保證吹灰介質動量在元件層內不迅速衰減，從而提高吹灰有效深度。NF波形的吹灰穿透性遠遠優于傳統中間層用的DU波形。

改造前后的傳熱元件對比

這種NF波形雖然能保證吹灰和清洗效果，但換熱性能（單位容積中受熱面面積）不如原空氣預熱器用的DU等板型，因此要維持空氣預熱器排煙溫度不上升，必須要增加換熱面積，即增加傳熱元件的高度。

(2) 搪瓷傳熱元件在傳熱、防腐性能上優于合金鋼，而且價格相對便宜，所以冷段層宜采用搪瓷表面傳熱元件。硫酸氫銨是強腐蝕物，在空氣預熱器內部煙氣溫度范圍內，它在230℃左右煙氣溫度時，開始從氣態凝結為液態，具有很強的粘結性，通常迅速粘在傳熱元件表面并進而吸附大量灰分，從而產生堵灰。采用搪瓷表面傳熱元件可以隔斷腐蝕物（硫酸氫銨和由SO3吸收水分產生的H2SO4）和金屬接觸，而且表面光潔，易于清洗干凈。搪瓷層穩定性好，耐磨損，使用壽命長，一般不低于5萬小時。

(3) 空氣預熱器吹灰器采用雙介質（蒸汽、高壓水）吹灰器，采用蒸汽作常規吹灰（1.4MPa，370℃，每班1次）。在空氣預熱器的壓降超過設計壓降數值的一定倍數時，可以用高壓水（10.5MPa，普通工業水）在空氣預熱器正常運行或停機時清洗。如電廠能提供10.5MPa水源，可以不裝高壓水泵系統，否則須增加。熱端一般考慮增加一臺普通吹灰器。

(4) 空氣預熱器轉子等結構需做一些局部修改，如由于冷端元件高度增加后，無法再旁移調換，也要改為從熱端吊出等等。

(5) 安裝SCR后對運行維護的要求如下：

嚴格控制SCR出口NH3逃逸率，盡量控制在2ppm以下最大不超過3pm，這是保證空氣預熱器不堵灰的重要前提。

在煙氣阻力上升50%左右時，需對空氣預熱器進行不停機清洗，打開冷端吹灰器高壓水系統，同時投運蒸汽吹灰（保證及時吹干元件表面）。

在用高壓水不能有效緩解空氣預熱器堵灰時，可以在停爐階段用大流量水沖洗設備以達到徹底清洗轉子的目的。

不主張用過高壓頭蒸汽對空氣預熱器吹灰，因為長期用很高的壓頭吹灰，會損壞空氣預熱器冷端傳熱元件，通道因元件變形后會更容易堵塞，而且堵塞后很難清理。

空氣預熱器其它運行要求和常規預熱器相同。

4 空氣預熱器改造后對鍋爐系統的影響

(1) SCR操作時其主要反應生成氮氣和水汽，對于鍋爐煙氣量而言，是微量反應，因此對煙氣成份參數并無影響。例如：如果某60MW機組的SCR脫氮效率為80%，在BMCR工況下氨的噴入量大約是250kg/h，而煙氣量在BMCR工況下是2527200kg/h，氨的噴入量僅為煙氣量的萬分之一，所以對于煙氣體積的影響可以忽略不計。此外由于氨在噴入以前都必須經過加熱，因此由于噴入氨氣帶來的這部分熱損失也是可以忽略不計的。

由于SCR反應器及煙道都有適當保溫，因此煙氣回到空氣預熱器后溫度變化很小，煙氣溫度最多略微下降2~3℃。在省煤器出口煙氣溫度變化不大時，空氣預熱器通過追加熱端換熱面，排煙溫度所受影響較小。但如果冷段堵塞未及時清理，會使排煙溫度有所上升，但不足以危及鍋爐安全運行。

(2) 安裝SCR脫氮裝置后，回到空氣預熱器的煙氣流場分布應該均勻，否則會影響空氣預熱器的換熱效果，在一定程度上影響鍋爐效率和排煙溫度。通過CFD模擬煙氣流場，在連接煙道內裝設若干導流板可以消除空氣預熱器進口流場的不均勻性。

(3) 由于傳熱元件的總高增加，通過空氣預熱器的煙風阻力通常會增加大約150～200Pa。但如果低溫段發生堵灰，則阻力上升較為明顯。通常在氨氣濃度1ppm以下時，硫酸氫銨生成量很少，空氣預熱器堵塞現象不明顯；如NH3逃逸增加到2 ppm，日本AKK的測試表明，空氣預熱器在運行6個月，阻力約增加30%；如NH3逃逸增加到3 ppm，空氣預熱器在運行6個月，阻力約增加50%。這種情況對風機的影響較大。

(4) 一般安裝SCR脫氮裝置后煙氣阻力將大約增加1kPa左右，空氣預熱器段煙氣負壓增加較多，空氣預熱器漏風壓差相應增加。雖然在空預器上采用了大量的技術來減小漏風，但這些措施應在有脫硝裝置（SCR）的機組上進行重新評估，因為壓力增大時這些措施的效果會有一些變化。通常情況下空氣預熱器的漏風率會增加0.8~1.5%左右。

(5) 空氣預熱器的使用壽命不受SCR影響。空氣預熱器除轉子結構外其它結構和傳統設計基本相同，中低溫段元件采用搪瓷表面后，使用壽命也不低于一個大修期。

(6) 空氣預熱器的使用安全性不受SCR影響。空氣預熱器各部件工作溫區和傳統預熱器相同，傳動系統相同，軸承承載倍率仍在安全范圍內。

綜上所述，正確進行空預器換熱元件的分層布置，為傳熱元件選擇合理的波形和材料，加裝有效的清灰裝置，可以最大限度地減小鍋爐裝設脫硝裝置后帶來的不利影響。這些措施，和脫硝裝置控制氨逃逸率的措施一起，可以有效減少空預器需要沖洗的次數，可以基本保證空預器的原有性能，不會危及鍋爐的安全運行。總的說來，控制NH3的逃逸量是保證空氣預器性能的關鍵。

技術專家簡介: 從事大氣污染控制等方面的設計、設備制造、工程總承包等方面工作二十多年。擁有國家專利二十項.主持大中型環保工程項目設計20余項，主持大型環保工程總承包2項，涉及工程投資近3億元，是（電改袋）施工的主要負責人之一，有豐富的施工組織和管理經驗，也是”863“.國內第一臺電除塵器改袋式除塵器1600000立方/小時煙氣量全套設計方案參與。星火熱電廠75噸/小時鍋爐袋式除塵，脫硫設計方案主要負責人...2005年11月設計日本帝人三原事務所世界第一臺以煤、舊輪胎及少量料制品為混合燃料65T/H高溫高壓環流化床鍋爐(煤、木屑、舊輪胎混合燃料)袋式除塵器，240T/H電袋復合除塵器及脫硫通過日本專家審核,。出口粉塵濃度≤20 mg/ Nm3 。山西左權鑫興冶煉廠硅冶煉電爐煙氣凈化除塵，山西安泰焦化廠4000M2至6000M2的大型阻火防爆型脈沖除塵器在焦爐除塵.重慶太極集團制藥廠20t/h-75t/h燃煤鍋爐袋式除塵及脫硫系統. 濟南鋼鐵股份有限公司第一燒結廠660000 m3/h電袋復合除塵器主設計，山東江泉集團臨沂燁華焦化廠6000M2大型阻火防爆型脈沖除塵器整體設計，河南省汝州巨龍實業有限公司75t/h燃煤鍋爐煙氣電袋復合除塵及脫硫系統工程,河南中孚實業股份有限公司12.5萬噸電解煙氣凈化系統,廣西北海高嶺科技15平方，25平方電除塵器，黑龍江雙鴨山水泥廠100平方和50平方電除塵器，江蘇射陽熱電有限公司88平方電除塵器,郴州熱電130t/h機組脫硝SCR工程,張掖熱電2×75t/h機組脫硝SCR工程,華銀熱電2×75t/h機組脫硝SNCR工程, 畢節熱電廠2×130t/h機組脫硝SNCR,紹興玻璃制品廠脫硝SCR,山東優嘉能源熱力有限公司1×40t/h煤粉鍋爐煙氣超低排放工程SNCR+SCR組合脫硝工藝等。。。。。。

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