SCR对锅炉产生的影响剖析学习
SCR反应区工艺描述
SCR反应器布置在省煤器与空预器之间的高含尘区域，SCR反应器位于锅炉下游的烟道上，氨喷射格栅位于反应器上游的烟道上；因此，在反应器入口处，通过导流板，能使氨气/空气混合气体在烟气中均匀分布。在反应器中，氨与烟气中的NOx发生反应，生成氮气和水；然后烟气进入空预器进行热交换后进入除尘器。
SCR对空预期的影响：
锅炉的SCR脱销装置投入运行后, 锅炉烟气系统阻力将增加1000Pa, 空气预热器烟风间压差和空气预热器漏风就会增加, 因此在锅炉和空气预热器性能计算中, 要按照增加后的烟气系统阻力来进行设计, 并采取降低空气预热器漏风的措施。
空气预热器烟气阻力增加的原因
1、烟气中SO3 含量增加
燃料中的硫分在锅炉燃烧过程中会生成SO2和SO3。一般情况下, 在省煤器出口处, 烟气中的SO3 在SOx中所占比例接近1%。脱硝装置投入运行后, 在催化剂的作用下, 部分SO2 会转化成SO3( 称之为SO2 /SO3 转化率, 该数值一般小于1.5% ) , 使烟气中SO3 的含量增加。
2、烟气中增加了一定浓度的NH3
在SCR 中, 作为还原剂的NH3, 在反应器中并没有完全和NOX 反应, 有一部分NH3 会离开反应器(称之为氨的逃逸率, 该数值一般为3 ~ 5uL /L)进入空气预热器。
3、烟气中SO3 和NH3 反应生成(NH2)2SO4
在未采用SCR装置的锅炉中, 烟气中SO3 结露是造成空气预热器低温腐蚀和堵灰的主要原因。因此, 要通过控制空气预热器冷端平均温度的方法, 避免或减少结露造成的腐蚀和堵灰。在评估堵灰性能的时候, 要根据烟气中的各种成分(包括灰分、水分、过量空气系数、SO3 的含量等)综合考虑。
在排烟温度大于120℃时, 空气预热器进风温度在15℃以上就可以避免烟气结露而造成的堵灰和低温腐蚀。在采用了SCR 以后, 由于烟气中SO3 的浓度增加, 为了避免空气预热器结露型堵灰, 所需要的空气预热器冷端平均温度将发生变化。
当采用SCR 设备后, 接近1% 的SO2 会转化成SO3, 这样酸露点将提高, 在高温下酸的凝结量加大, 增加了堵灰的可能性, 对空气预热器冷端平均温度的要求就会更高。一般情况下, 将空气预热器的进风温度控制在15~ 20 ℃就可以避免结露型堵灰的情况发生。当设计煤和校核煤中含硫量的正偏差达到60% 时, 防止结露型堵灰所需要的空气预热器冷端平均温度就会显著增加, 需要提高空气预热器的进风温度。当设计和校核煤中含硫量的正偏差达到120%以上时, 空气预热器的冷端平均温度需要90 ℃, 在满负荷情况下, 进风温度为50 ℃才能够满足, 此时的排烟温度为140 ℃, 锅炉热效率下降较多, 经济性比较差。
当SCR 装置投运并喷入还原剂氨后, 在一定的温度下, SO3 会和NH3 反应生成硫酸氨和硫酸氢氨。在空气预热器区域, 由于SO3 的浓度远大于漏氨的浓度, 反应生成的铵盐基本上是硫酸氢氨。硫酸氢氨在150~ 200 ℃会发生沉积, 变成一种很粘稠的物质, 易造成空气预热器堵灰, 形成的积灰清除比较困难。硫酸氢氨型堵灰主要和煤质中的硫含量、SO2 的氧化率和SCR 系统氨逃逸率有关。运行经验表明, 空气预热器的分段位于硫酸氢氨的沉积区时, 该分段处的堵灰现象尤为严重。
防止空气预热器堵灰和低温腐蚀的措施
1、控制或降低SO2 的氧化率和氨逃逸率
在日本SCR技术发展初期, 采用了较高的漏氨率( 5 ~ 10 μL /L ) 以及SO2 到SO3 转化率( 1. 5% ~ 2. 5% ), 空气预热器发生堵灰和低温腐蚀的现象比较严重, 不得不大规模对空气预热器进行改造。欧洲以及美国SCR 采用了先进的技术指标, 漏氨率一般设计范围为2~ 5 μL/L, SO2到SO3 的转化率控制为1% , 欧洲和美国并未对空气预热器进行改造而运行良好。
较低的漏氨率和SO2 氧化率会改善空气预热器的工作条件, 降低漏氨率和SO2 氧化率会导致催化剂体积和成本的增加, 必须根据性价比的原则来确定有关的性能指标。根据美国巴威公司多年的运行经验, 对于含硫量较低的燃煤, 不大于3μL /L的漏氨率和不大于1% 的SO2 到SO3 的转化率是比较高的指标。
除了采用适当的SO2 氧化率和漏氨率指标外, 漏氨的浓度分布、脱硝设备性能对煤质和负荷的适应性、脱硝设备运行的稳定性等因素对空气预热器的影响很大。
2、空气预热器换热元件使用合适的板型和规格
空气预热器有多种板型。对于换热效率较高的FNC板型, 其复杂的波纹结构形状容易造成空气预热器堵灰、有SCR 设备的空气预热器, 应该采用不易堵灰, 有较高换热效率的双波纹型( DU )。同样是双波纹型, 不同的规格其防堵灰的性能也会有差别。因此, 在空气预热器的高温和低温段, 要选用不同规格的双波纹换热板, 低温段预热器要采用防堵灰性能更好的规格。
3、空气预热器分段和换热元件的材料
常规空气预热器分为高、中、低温三段布置。其中, 中温段和低温段的分界位于硫酸氢氨的沉降温度区, 此处易发生堵灰现象。采用合并中低温段, 空预器只设高温和低温两段, 这样就避免了在硫酸氢氨沉积区域分段、空气预热器分段处局部堵灰状况的恶化造成的瓶颈。
从上述分析可知道, 脱硝装置投运后, 烟气中SO3 含量增加使低温腐蚀程度增加, 因此在空气预热器低温段使用Corten 钢或镀搪瓷的元件。搪瓷元件可以防止低温腐蚀, 搪瓷表面比较光滑,受热元件不易沾污, 即使受到沾污也易于清除。采用镀搪瓷的换热元件是防止空气预热器低温段堵灰的有力措施。
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高温段 |
DU |
DU3 |
FNC |
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低温段 |
搪瓷DNF |
搪瓷DU3E |
对于燃用中低含硫量煤种的机组, 从其综合分析结果看, 投运SCR 后一般不易发生结露型堵灰, 空预器可以采用两段布置, 低温段使用Corten钢换热元件。或者按照常规的三段布置, 低温段采用镀搪瓷元件。
如果煤源不稳定, 实际燃用的煤种硫分的正偏差可能长期达到100% 以上时, 建议空气预热器采用两段布置, 低温段使用镀搪瓷元件。
4、采用多介质吹灰器
在空气预热器中, 采用蒸汽、低压水和高压水多介质吹灰; 蒸汽吹灰采用在线式, 低压水冲洗采用离线操作。对于结露型堵灰, 蒸汽和低压水冲洗可以取得较好的清洗效果; 对于硫酸氢氨型堵灰, 采用高压水冲洗才能保证清洗效果
一般吹灰蒸汽压力为1MPa, 低压水压力为0. 5MPa。高压水压力达到10MPa以上时, 硫酸氢氨型堵灰就可以被顺利地清除。
当燃煤中的含硫量波动较大时, 有时燃用较高含硫量的煤种, 也会造成空气预热器硫酸氢氨型堵灰加剧以及烟气流动阻力急剧上升。因此,保留高压水冲洗的手段是必要的。
SCR对引风机的影响
目前前多数电站用的都是轴流引风机，它有低负荷运行效率高、调节范围大、对负荷变化反应快等一系列优点，但可靠性不高、不稳定区间大、容易产生失速和喘振。SCR的加装改变了烟道的阻力特性，势必给轴流式引风机的运行带来一系列问题。
喘振是风机处于不稳定工作区运行时，可能会出现流量、全压大幅度波动的情况。它会引起风机及管路系统的剧烈振动。喘振将使风机性能恶化，严重时会使风机系统装置破坏。
失速是喘振的前提。失速不会对风机和燃烧有太大的影响，但喘振会给锅炉造成很大的危害。失速发生时，尽管叶轮附近的工况有波动，但整台风机的流量、压力和功率基本稳定，可以连续运行，通过做风机动叶等的相关调整，可以使风机脱离失速区，使锅炉恢复正常运行。但喘振发生时，因流量、压力和功率的大幅度脉动，锅炉将无法维持正常运行，甚至会造成设备的损坏和锅炉熄火。
SCR 对风机稳定性的影响
轴流通风机的不稳定工作区间较大，加装SCR装置以后，若不改变风机，会使原有风机在运行时出现失速和喘振的可能性大大增加，不利于风机的安全运行。
SCR装置对锅炉的影响主要是因为它增加了锅炉烟气系统的阻力。增加的阻力一般分为增加的烟道阻力、SCR反应塔内的阻力和空预器增加的阻力三部分。增设SCR以后，SCR装置的阻力一般为1KPa左右，空预器增加的阻力一般为200Pa左右。而整个锅炉烟风系统的阻力为2000～3000Pa（BMCR工况，300～600MW），可见，SCR装置的阻力将占整个锅炉系统阻力的很大部分，它会在很大程度上影响锅炉系统的烟道阻力特性。同时，SCR内的催化剂和空预器的积灰会加重这一影响。
若增大风机的压头或改用更高压头的风机，会在一定程度上缓和以上分析的现象，但高压风机比低压风机更容易发生喘振，运行时仍需注意。
所以，对于加装SCR的机组，因为SCR的阻力较大，风机的运行更加不稳定，容易发生失速和喘振，要非常注意引风机的运行情况。必要的时候，改用更大压头的风机。
旁路切换不利于风机和锅炉安全
SCR旁路分为省煤器旁路和SCR反应塔旁路两种。
省煤器旁路从省煤器入口直接通往SCR入口，可以通过烟气的调节，维持SCR反应塔中的催化反应在最佳的温度范围内。SCR反应塔旁路，连接省煤器出口和空预器入口，可以使反应器在锅炉低负荷时减少SCR催化剂的损耗，且有利于SCR的检修。但SCR反应塔旁路在进行旁路切换时不利于锅炉的安全。
鉴于以上原因，目前新建锅炉机组较少采用SCR烟气旁路，但现役机组进行SCR改造时采用SCR烟气旁路的较多。
SCR对锅炉性能与安全性的影响
由于空气预热器传热元件的改动和粘污，如吹灰不及时会引起预热器传热效果变差，锅炉排烟温度升高会引起锅炉效率降低。
安装SCR后，空气预热器段烟气负压增加较多，空气预热器漏风压差增加，通常空气预热器漏风率增加。
如果SCR脱氮效率为80%，在BMCR工况下，氨的喷入量与锅炉的总烟气量相比很小，而且，由于氨在喷入以前都经过加热，因此这部分的热损失是完全可以忽略不计的。
由于SCR脱硝装置中催化剂内会有积灰堵塞的可能，这也是影响锅炉安全运行的一个方面。当然，这种影响完全可以通过加强对SCR系统的运行检测与维护而消除
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