技術
摘要：簡述燃煤鍋爐煙氣在SCR脫硝過程中氨逃逸后硫酸氫銨的生成機理。指出脫硝裝置氨逃逸產生的硫酸氫氨對電袋復合除塵性能有積極影響的一面，同時詳細分析了煙氣中過量的硫酸氫銨對電袋復合除塵器電區除塵和布袋除塵的不利影響。引起業內對脫硝副產物硫酸氫銨影響電袋復合除塵器性能的重視，在運行管理中，采取有針對性的措施，減少、避免這種危害，使電袋復合除塵器性能獲得最佳。
關鍵詞：電袋復合除塵器;SCR脫硝裝置;氨逃逸;硫酸氫銨;除塵器進出口壓差降;粘性;濾袋;
電袋復合除塵器是我國近年自主研發的高效煙氣除塵設備，它有機結合了靜電除塵和布袋除塵的特點，通過前級電場高效預收塵、荷電作用和后級濾袋區精細過濾除塵，充分發揮電除塵和布袋除塵各自的除塵優點，以及兩者相結合產生新的性能優點，彌補了靜電除塵和布袋除塵器的除塵缺點。在國內從50MW-1000MW燃煤發電機組中得到普遍使用。據統計，截止2019年底，僅福建某知名環保上市公司設計制造的電袋復合除塵器就已有500余臺套投入使用。與此同時，在眾多的脫硝技術中，選擇性催化還原法（SCR）由于脫硝效率高，在我國多個大型火力發電廠中得到成功應用，其NOx的脫除率可達80%-90%,SCR脫硝已經成為國內火力發電廠脫除氮氧化物的主流技術。目前，燃煤電廠形成了以SCR脫硝裝置+電袋復合除塵器+濕法脫硫裝置來保證煙氣中總污染物同步達標的主流凈化煙氣工藝路線。
盡管SCR脫硝裝置在我國多個燃煤發電機組成功應用，仍存在個別電廠相關運行經驗不足，脫硝裝置配套的在線監測設備配套不齊全等問題，從而導致在脫硝過程造成大量的氨逃逸（未反應的氨），逃逸的氨與煙氣化學反應產生有粘性的硫酸氫銨（化學式：NH4HSO4），并與煙氣中顆粒物形成粘性灰，吸附在電袋復合除塵器陰極針刺線上造成針尖肥大，嚴重影響電除塵除塵效率。此外，形成的粘性粉塵吸附在濾袋表面，造成濾袋孔隙堵塞，影響袋區除塵效率。本文主要對脫硝過程中硫酸氫銨生成機理分析，并結合國內相關機組現狀實例對硫酸氫銨對電袋除塵器的影響進行分析，引起業內對煙氣中過量硫酸氫銨對電袋除塵器負面影響的重視，并通過相關有效地監控管理措施來積極減少這種負面影響。
1 SCR脫硝裝置中硫酸氫銨生成機理分析
1.1 SCR脫硝機理
選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction,SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（NH3或尿素等）“有選擇性”地與煙氣中NOx反應并生成無毒性無污染的氮氣和水。在以氨為還原劑的典型SCR反應條件下，其主要反應為：
SCR脫硝系統主要由SCR催化反應器模塊、噴氨裝置、氨的儲存和制備系統等組成。SCR催化反應模塊一般布置在空預器和除塵器之間的高溫煙道內，在該位置，煙氣溫度能夠達到反應的最佳溫度。SCR工藝的反應原理如圖1所示。
1.2 硫酸氫銨生成機理分析
由于在鍋爐煙氣中還存在SO2和SO3等氣體，催化劑中的活性組分V2O5在催化降解NOx的過程中，也會對SO2的氧化起到一定的催化作用，生成SO3。在脫硝過程中由于氨的不完全反應，另SCR煙氣脫硝過程少量的氨逃逸是難免的，氨逃逸率主要取決于以下因素：（1）注入煙道內的氨分布不均。（2）設定的NH3/NOx摩爾比不合理造成還原化學反應不充分。（3）發生還原反應的溫度。（4）催化劑堵塞，造成催化劑活性成分與煙氣無法充分接觸、發生反應。（5）催化劑老化，活性成分失效。反應生成的SO3進一步同煙氣中逃逸的氨反應，生成硫酸氫銨和硫酸銨，其反應如下：
運行經驗和熱力學分析都表明，硫酸氫銨的形成取決于反應物的濃度和它們的比例。硫酸氫銨的形成量隨NH3濃度的增加而增加。
2 鍋爐煙氣脫硝后煙氣中硫酸氫銨對電袋復合除塵器的性能影響
2.1 煙氣脫硝后大幅度降低煙氣中NOx濃度，利于延長PPS濾袋的使用壽命
PPS（學名：聚苯硫醚）是目前燃煤電廠布袋除塵器普遍使用的主要濾材，其缺點抗氧化性能差，容易發生氧化腐蝕，在多年的應用中發現，它容易受煙氣中的化學成分影響纖維的物理強度，進而縮短使用壽命，其中NOx是有害化學成分主要之一，其濃度越高對PPS纖維的危害性越大。脫硝后減少了煙氣NOx濃度，減少煙氣中對濾袋纖維影響的有害成分，有利于提高電袋復合除塵器PPS濾袋使用壽命。
2.2 脫硝后少量氨逃逸形成少量的氨鹽對電袋復合除塵器的積極作用
硫酸氫銨（NH3HSO4）是一種具有很強粘性的銨鹽。銨鹽容易與煙氣中粉塵粘合，使小顆粒凝并成大顆粒從而提高煙氣中粉塵的凝并能力，降低煙塵表面的比電阻值，從而提高電除塵的除塵效率。銨鹽的粘合與電解作用已形成了國際上普遍應用的氨調質煙氣處理技術。當SCR脫硝裝置中發生NH3逃逸，形成少量的銨鹽經過電袋復合除塵器前級電場時，與煙氣中高濃度的粉塵凝并后絕大部分被電場捕集，且形成的銨鹽與粉塵混合的顆粒物中銨鹽的含量較低，粘性小，容易在電場捕集后在機械振打清灰作用下落至灰斗內。所以，脫硝裝置中少量氨逃逸對除塵而言是積極的因素，它提高電袋復合除塵器電區除塵效率，降低進入袋區的煙塵濃度，降低除塵器前后壓差和煙氣阻力。
2.3 脫硝后過量氨逃逸形成大量氨鹽對電袋復合除塵器的負面影響
當脫硝裝置由于噴氨裝置故障導致注入煙道的氨流量分布不均，或由于催化劑老化、堵塞等因素而導致氨逃逸過量時（通常要求氨逃逸不能大于3ppm），逃逸的NH3與SO3反應產生大量的粘性NH3HSO4，與煙氣中的粉塵結合后形成大量的強粘性灰。超過了原有電除塵及袋除塵除灰的能力，打破了這種平衡。粘性飛灰吸附在電除塵陰極針刺線上，造成陰極針刺線針尖肥大，電場二次電流過小，無法建立正常電暈功率的電場，導致除塵效率下降。電除塵除塵效率的下降又導致更多的粘性灰無法得到有效清除，陰極針刺線針尖被粘性灰包裹的越來越大，這樣就形成了一種惡性循環，最終結果甚至導致電除塵徹底喪失除塵的功能。另一方面，粘性飛灰吸附在陽極板上無法通過陽極振打裝置有效清灰，從而造成陰陽極異極距減小，二次電壓過小，同樣無法獲得正常的電暈功率，降低電除塵效率。
過量氨逃逸對電袋復合除塵器布袋除塵的不利影響。布袋除塵基本原理是通過濾袋纖維及濾袋表面形成的粉塵層對粉塵粒子的捕獲來達到煙氣凈化目的，粉塵粒子主要是通過慣性碰撞、攔截、擴散、篩分作用吸附在濾袋表面，當吸附在濾袋表面的粉塵層達到一定厚度時，通過脈沖噴吹裝置向濾袋內部噴吹壓縮空氣氣流，使濾袋鼓脹變形產生對粉塵的作用力以及噴射氣流誘發的清灰作用力來實現濾袋表面清灰功能。布袋透氣性好壞決定布袋除塵性能和布袋除塵器壓差降的大小。過量氨逃逸導致的粘性飛灰大量吸附在濾袋外表面無法通過有效地清灰裝置清除，吸附在濾袋表面的大量粘性灰造成濾袋纖維孔隙堵塞，在濾袋表面形成板結的塊狀物，造成濾袋透氣性差，無法實現袋除塵功能，同時造成布袋除塵器前后壓差過大，影響風機出力，甚至影響鍋爐負荷。
3 脫硝后煙氣成分改變對電袋復合除塵器影響相關應用實例及措施建議
3.1 北京京能石景山熱電廠脫硝后煙氣對電袋復合除塵器的積極影響
電袋復合除塵器項目中，其中北京京能石景山熱電廠1號、3號爐電袋復合除塵器分別于2008年3月、5月改造完工并正式投入運行，兩臺爐脫硝裝置于2008年6月正式投入運行。該項目為奧運工程，對環保要求極高，氮氧化物和粉塵的排放要求非常嚴。脫硝裝置和除塵器都選用國內行業內技術成熟、領先的知名廠家設備，且該電廠運行管理經驗成熟、規范。經過兩年的運行表明，兩爐電袋復合除塵器的出口排放濃度都穩定≤20mg/Nm3，阻力小于800Pa，清灰周期10小時以上，濾袋零破損。在多次停爐檢修時，殼體墻板、陰極裝置、陽極板、濾袋表面等處均未發現有異常粘性粉塵層。因此，從北京京能石景山熱電廠實踐中證明了脫硝后少量氨逃逸現象是不影響電袋復合除塵器的正常使用的。
3.2 華東某電廠600MW機組脫硝后煙氣對電袋復合除塵器的負面影響
位于華東地區某大型火力發電廠2號機組與北京京能石景山熱電廠脫硝后煙氣對電袋復合除塵器的積極影響是相反的情況。該機組為600MW超臨界燃煤發電機組，鍋爐采用超臨界直流鍋爐，空氣預熱器采用三分容克式回轉空預器，設SCR脫硝和濕法脫硝裝置。
電袋復合除塵器設計按常規的“2電+2袋”設計方案，該項目于2011年7月份正式并網投運，在機組168h滿負荷試運行時電袋復合除塵器進出口差壓穩定在600Pa-800Pa范圍內，投運初期3個月內進出口長期差壓穩定在800Pa-1000Pa范圍內。2011年10月底電廠委托該省電科院測試除塵器性能，脫硝系統未投入運行，除塵器阻力僅為619Pa；除塵器制造廠家質量部門于2012年9月份對機組進行性能測試，脫硝系統已經投運8個月（脫硝系統正式于1月份開始投運），阻力升至1690Pa。兩次性能測試具體數據對比如表1。
從表1中可以得知2012年9月份，脫硝裝置投運8個月后，除塵器阻力上升明顯。
該機組自投入運行以來，電袋除塵器經歷了2次停爐檢修，對比照片如圖2、圖3。
圖2、圖3為兩次停爐檢修時現場拍取的陰極針刺線照片，可以明顯看出圖3針刺線已經被飛灰包裹肥大，且粘性飛灰經過針刺線尖端放電灼燒后形成硬質結晶體，很難剝離。
圖4、圖5為兩次停爐檢修時的濾袋照片，可以看出，第二次檢修時濾袋表面有積灰板結現象。經專業儀器檢測，濾袋透氣性僅為7.7-20.2L/dm2·min。
出現針刺線肥大及濾袋表面積灰板結原因與脫硝系統氨逃逸有關，據業主反饋，該機組脫硝系統一直帶故障運行，氨無法自動均勻投入，氨逃逸監視儀故障，因此無法準確控制氨的投入量。在第二次檢修時，發現噴氨裝置6個噴嘴脫落，大量氨泄漏。根據有關文獻說明，當氨逃逸量超過3ppm時，會產生大量硫酸氫銨。
針對脫硝系統氨逃逸造成電袋復合除塵器除塵效率降低，進出口差壓過大將影響整個機組運行的情況，該電廠后來檢修時用鋼刷清除掉包裹在陰極針刺線上的硬質顆粒物，使電區恢復正常運行。另袋區采取移動強力清灰裝置清除布袋表面塊狀物。同時，在對脫硝系統噴氨裝置修復后嚴格限制噴氨量，運行3個月以來，除塵器進出口壓差一直穩定維持在800Pa-1200Pa。
4 結束語
SCR脫硝后煙氣成分的改變對電袋復合除塵器性能有積極的一面，但過量的氨逃逸則對電袋復合除塵器的影響是非常不利的，電廠運行管理人員應該充分認識到脫硝副產物硫酸氫銨對電袋復合除塵器負面影響，在日常運行中，嚴格監視脫硝裝置氨逃逸，控制氨逃逸在一定的范圍之內。同時，在電袋復合除塵器檢修時重點對陰極針刺線針尖積灰情況以及抽取濾袋檢查表面積灰是否板結，及時發現問題并采取補救措施，使電袋復合除塵器性能獲得最佳狀態，兼顧脫硝裝置脫除氮氧化物和除塵器除塵同步達標。
