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燃煤机组SCR脱硝后烟气对电袋复合除尘器的影响

   日期:2021-05-14     来源:科技创新与应用    
核心提示:摘要:简述燃煤锅炉烟气在SCR脱硝过程中氨逃逸后硫酸氢铵的生成机理。指出脱硝装置氨逃逸产生的硫酸氢氨对电袋复合除尘性能有积极影响的一面,同时详细分析了烟气中过量的硫酸氢铵对电袋复合除尘器电区除尘和布袋除尘的不利影响。引起业内对脱硝副产物硫酸氢铵影响电袋复合除尘器

摘要:简述燃煤锅炉烟气在SCR脱硝过程中氨逃逸后硫酸氢铵的生成机理。指出脱硝装置氨逃逸产生的硫酸氢氨对电袋复合除尘性能有积极影响的一面,同时详细分析了烟气中过量的硫酸氢铵对电袋复合除尘器电区除尘和布袋除尘的不利影响。引起业内对脱硝副产物硫酸氢铵影响电袋复合除尘器性能的重视,在运行管理中,采取有针对性的措施,减少、避免这种危害,使电袋复合除尘器性能获得最佳。


电袋复合除尘器是我国近年自主研发的高效烟气除尘设备,它有机结合了静电除尘和布袋除尘的特点,通过前级电场高效预收尘、荷电作用和后级滤袋区精细过滤除尘,充分发挥电除尘和布袋除尘各自的除尘优点,以及两者相结合产生新的性能优点,弥补了静电除尘和布袋除尘器的除尘缺点。在国内从50MW-1000MW燃煤发电机组中得到普遍使用。据统计,截止2019年底,仅福建某知名环保上市公司设计制造的电袋复合除尘器就已有500余台套投入使用。与此同时,在众多的脱硝技术中,选择性催化还原法(SCR)由于脱硝效率高,在我国多个大型火力发电厂中得到成功应用,其NOx的脱除率可达80%-90%,SCR脱硝已经成为国内火力发电厂脱除氮氧化物的主流技术。目前,燃煤电厂形成了以SCR脱硝装置+电袋复合除尘器+湿法脱硫装置来保证烟气中总污染物同步达标的主流净化烟气工艺路线。


尽管SCR脱硝装置在我国多个燃煤发电机组成功应用,仍存在个别电厂相关运行经验不足,脱硝装置配套的在线监测设备配套不齐全等问题,从而导致在脱硝过程造成大量的氨逃逸(未反应的氨),逃逸的氨与烟气化学反应产生有粘性的硫酸氢铵(化学式:NH4HSO4),并与烟气中颗粒物形成粘性灰,吸附在电袋复合除尘器阴极针刺线上造成针尖肥大,严重影响电除尘除尘效率。此外,形成的粘性粉尘吸附在滤袋表面,造成滤袋孔隙堵塞,影响袋区除尘效率。本文主要对脱硝过程中硫酸氢铵生成机理分析,并结合国内相关机组现状实例对硫酸氢铵对电袋除尘器的影响进行分析,引起业内对烟气中过量硫酸氢铵对电袋除尘器负面影响的重视,并通过相关有效地监控管理措施来积极减少这种负面影响。


1 SCR脱硝装置中硫酸氢铵生成机理分析


1.1 SCR脱硝机理


选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)是指在催化剂的作用下,利用还原剂(NH3或尿素等)“有选择性”地与烟气中NOx反应并生成无毒性无污染的氮气和水。在以氨为还原剂的典型SCR反应条件下,其主要反应为:



SCR脱硝系统主要由SCR催化反应器模块、喷氨装置、氨的储存和制备系统等组成。SCR催化反应模块一般布置在空预器和除尘器之间的高温烟道内,在该位置,烟气温度能够达到反应的最佳温度。SCR工艺的反应原理如图1所示。




1.2 硫酸氢铵生成机理分析


由于在锅炉烟气中还存在SO2和SO3等气体,催化剂中的活性组分V2O5在催化降解NOx的过程中,也会对SO2的氧化起到一定的催化作用,生成SO3。在脱硝过程中由于氨的不完全反应,另SCR烟气脱硝过程少量的氨逃逸是难免的,氨逃逸率主要取决于以下因素:(1)注入烟道内的氨分布不均。(2)设定的NH3/NOx摩尔比不合理造成还原化学反应不充分。(3)发生还原反应的温度。(4)催化剂堵塞,造成催化剂活性成分与烟气无法充分接触、发生反应。(5)催化剂老化,活性成分失效。反应生成的SO3进一步同烟气中逃逸的氨反应,生成硫酸氢铵和硫酸铵,其反应如下:



运行经验和热力学分析都表明,硫酸氢铵的形成取决于反应物的浓度和它们的比例。硫酸氢铵的形成量随NH3浓度的增加而增加。


2 锅炉烟气脱硝后烟气中硫酸氢铵对电袋复合除尘器的性能影响


2.1 烟气脱硝后大幅度降低烟气中NOx浓度,利于延长PPS滤袋的使用寿命


PPS(学名:聚苯硫醚)是目前燃煤电厂布袋除尘器普遍使用的主要滤材,其缺点抗氧化性能差,容易发生氧化腐蚀,在多年的应用中发现,它容易受烟气中的化学成分影响纤维的物理强度,进而缩短使用寿命,其中NOx是有害化学成分主要之一,其浓度越高对PPS纤维的危害性越大。脱硝后减少了烟气NOx浓度,减少烟气中对滤袋纤维影响的有害成分,有利于提高电袋复合除尘器PPS滤袋使用寿命。


2.2 脱硝后少量氨逃逸形成少量的氨盐对电袋复合除尘器的积极作用


硫酸氢铵(NH3HSO4)是一种具有很强粘性的铵盐。铵盐容易与烟气中粉尘粘合,使小颗粒凝并成大颗粒从而提高烟气中粉尘的凝并能力,降低烟尘表面的比电阻值,从而提高电除尘的除尘效率。铵盐的粘合与电解作用已形成了国际上普遍应用的氨调质烟气处理技术。当SCR脱硝装置中发生NH3逃逸,形成少量的铵盐经过电袋复合除尘器前级电场时,与烟气中高浓度的粉尘凝并后绝大部分被电场捕集,且形成的铵盐与粉尘混合的颗粒物中铵盐的含量较低,粘性小,容易在电场捕集后在机械振打清灰作用下落至灰斗内。所以,脱硝装置中少量氨逃逸对除尘而言是积极的因素,它提高电袋复合除尘器电区除尘效率,降低进入袋区的烟尘浓度,降低除尘器前后压差和烟气阻力。


2.3 脱硝后过量氨逃逸形成大量氨盐对电袋复合除尘器的负面影响


当脱硝装置由于喷氨装置故障导致注入烟道的氨流量分布不均,或由于催化剂老化、堵塞等因素而导致氨逃逸过量时(通常要求氨逃逸不能大于3ppm),逃逸的NH3与SO3反应产生大量的粘性NH3HSO4,与烟气中的粉尘结合后形成大量的强粘性灰。超过了原有电除尘及袋除尘除灰的能力,打破了这种平衡。粘性飞灰吸附在电除尘阴极针刺线上,造成阴极针刺线针尖肥大,电场二次电流过小,无法建立正常电晕功率的电场,导致除尘效率下降。电除尘除尘效率的下降又导致更多的粘性灰无法得到有效清除,阴极针刺线针尖被粘性灰包裹的越来越大,这样就形成了一种恶性循环,最终结果甚至导致电除尘彻底丧失除尘的功能。另一方面,粘性飞灰吸附在阳极板上无法通过阳极振打装置有效清灰,从而造成阴阳极异极距减小,二次电压过小,同样无法获得正常的电晕功率,降低电除尘效率。


过量氨逃逸对电袋复合除尘器布袋除尘的不利影响。布袋除尘基本原理是通过滤袋纤维及滤袋表面形成的粉尘层对粉尘粒子的捕获来达到烟气净化目的,粉尘粒子主要是通过惯性碰撞、拦截、扩散、筛分作用吸附在滤袋表面,当吸附在滤袋表面的粉尘层达到一定厚度时,通过脉冲喷吹装置向滤袋内部喷吹压缩空气气流,使滤袋鼓胀变形产生对粉尘的作用力以及喷射气流诱发的清灰作用力来实现滤袋表面清灰功能。布袋透气性好坏决定布袋除尘性能和布袋除尘器压差降的大小。过量氨逃逸导致的粘性飞灰大量吸附在滤袋外表面无法通过有效地清灰装置清除,吸附在滤袋表面的大量粘性灰造成滤袋纤维孔隙堵塞,在滤袋表面形成板结的块状物,造成滤袋透气性差,无法实现袋除尘功能,同时造成布袋除尘器前后压差过大,影响风机出力,甚至影响锅炉负荷。


3 脱硝后烟气成分改变对电袋复合除尘器影响相关应用实例及措施建议


3.1 北京京能石景山热电厂脱硝后烟气对电袋复合除尘器的积极影响


电袋复合除尘器项目中,其中北京京能石景山热电厂1号、3号炉电袋复合除尘器分别于2008年3月、5月改造完工并正式投入运行,两台炉脱硝装置于2008年6月正式投入运行。该项目为奥运工程,对环保要求极高,氮氧化物和粉尘的排放要求非常严。脱硝装置和除尘器都选用国内行业内技术成熟、领先的知名厂家设备,且该电厂运行管理经验成熟、规范。经过两年的运行表明,两炉电袋复合除尘器的出口排放浓度都稳定≤20mg/Nm3,阻力小于800Pa,清灰周期10小时以上,滤袋零破损。在多次停炉检修时,壳体墙板、阴极装置、阳极板、滤袋表面等处均未发现有异常粘性粉尘层。因此,从北京京能石景山热电厂实践中证明了脱硝后少量氨逃逸现象是不影响电袋复合除尘器的正常使用的。


3.2 华东某电厂600MW机组脱硝后烟气对电袋复合除尘器的负面影响


位于华东地区某大型火力发电厂2号机组与北京京能石景山热电厂脱硝后烟气对电袋复合除尘器的积极影响是相反的情况。该机组为600MW超临界燃煤发电机组,锅炉采用超临界直流锅炉,空气预热器采用三分容克式回转空预器,设SCR脱硝和湿法脱硝装置。



电袋复合除尘器设计按常规的“2电+2袋”设计方案,该项目于2011年7月份正式并网投运,在机组168h满负荷试运行时电袋复合除尘器进出口差压稳定在600Pa-800Pa范围内,投运初期3个月内进出口长期差压稳定在800Pa-1000Pa范围内。2011年10月底电厂委托该省电科院测试除尘器性能,脱硝系统未投入运行,除尘器阻力仅为619Pa;除尘器制造厂家质量部门于2012年9月份对机组进行性能测试,脱硝系统已经投运8个月(脱硝系统正式于1月份开始投运),阻力升至1690Pa。两次性能测试具体数据对比如表1。





从表1中可以得知2012年9月份,脱硝装置投运8个月后,除尘器阻力上升明显。


该机组自投入运行以来,电袋除尘器经历了2次停炉检修,对比照片如图2、图3。


图2、图3为两次停炉检修时现场拍取的阴极针刺线照片,可以明显看出图3针刺线已经被飞灰包裹肥大,且粘性飞灰经过针刺线尖端放电灼烧后形成硬质结晶体,很难剥离。


图4、图5为两次停炉检修时的滤袋照片,可以看出,第二次检修时滤袋表面有积灰板结现象。经专业仪器检测,滤袋透气性仅为7.7-20.2L/dm2·min。


出现针刺线肥大及滤袋表面积灰板结原因与脱硝系统氨逃逸有关,据业主反馈,该机组脱硝系统一直带故障运行,氨无法自动均匀投入,氨逃逸监视仪故障,因此无法准确控制氨的投入量。在第二次检修时,发现喷氨装置6个喷嘴脱落,大量氨泄漏。根据有关文献说明,当氨逃逸量超过3ppm时,会产生大量硫酸氢铵。


针对脱硝系统氨逃逸造成电袋复合除尘器除尘效率降低,进出口差压过大将影响整个机组运行的情况,该电厂后来检修时用钢刷清除掉包裹在阴极针刺线上的硬质颗粒物,使电区恢复正常运行。另袋区采取移动强力清灰装置清除布袋表面块状物。同时,在对脱硝系统喷氨装置修复后严格限制喷氨量,运行3个月以来,除尘器进出口压差一直稳定维持在800Pa-1200Pa。


4 结束语


SCR脱硝后烟气成分的改变对电袋复合除尘器性能有积极的一面,但过量的氨逃逸则对电袋复合除尘器的影响是非常不利的,电厂运行管理人员应该充分认识到脱硝副产物硫酸氢铵对电袋复合除尘器负面影响,在日常运行中,严格监视脱硝装置氨逃逸,控制氨逃逸在一定的范围之内。同时,在电袋复合除尘器检修时重点对阴极针刺线针尖积灰情况以及抽取滤袋检查表面积灰是否板结,及时发现问题并采取补救措施,使电袋复合除尘器性能获得最佳状态,兼顾脱硝装置脱除氮氧化物和除尘器除尘同步达标。

 
 
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