论文部分内容阅读
摘要：分析了燃煤电厂氨逃逸的原因以及氨逃逸的生成物硫酸氢铵对电袋复合除尘器电收尘区和袋收尘区运行的影响。从日常运行维护的角度出发，提出了减少氨逃逸的措施，对燃煤电厂处理同类型问题有一定的借鉴作用。
关键词：氨逃逸;电袋除尘器;硫酸氢铵;积灰
0 引言
近年来，尽管我国大力开展新能源建设，但在目前以及未来相当长的一段时间内，火力发电装机容量将依然占据我国电力供应的主导地位。燃煤电厂产生了大量的粉尘、SO2、NOx、汞及化合物等污染，为控制烟气排放达到国家标准，烟气治理中采用了一系列的收尘措施。以氮氧化合物（NOx）为例，根据《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》（环发〔2015〕164号）文件要求，燃煤电厂烟气污染物中NOx≤50 mg/m3（标干态，6% O2）[1]，脱硝效率需要调高至90%以上，目前采用的选择性催化还原法，简称SCR，是我国燃煤电厂应用最广泛的烟气脱硝技术。综合经济效益的考量，SCR反应器通常采用高灰型布置方式（流程如图1所示），NH3是SCR脱硝技术的还原剂，通常由液氨或者尿素热解提供。在催化剂的作用下，将燃煤烟气中的NOx还原成N2和H2O;另外，烟气中的部分SO2也会被氧化成SO3。
燃煤电厂通常采用增加催化剂层数以及加大喷氨量的方式来提高脱硝效率，因此随着脱硝效率的提高，氨逃逸也会相应增加，氨逃逸的副产品硫酸氢铵（ABS）对后续除尘设备的运行效能会产生许多负面的影响。
1 硫酸氢铵的生成机理
有研究表明，硫酸氢铵的生成温度为190～240 ℃[2]，根据硫酸氢铵的物理特性（表1），硫酸氢铵的沸点为350 ℃，而SCR催化剂最佳的反应温度在340～380 ℃，可见在副反应发生时，生成的硫酸氢铵主要为气相，其在温度降低时凝结[3]。在具体的工程应用中，若发现催化剂失活，短时间内可以通过增加锅炉负荷，提高烟温使硫酸氢铵气化，从而让催化剂恢复活性。
2 氨逃逸对电袋复合除尘器的影响
根据工程经验，由于脱硝无法完全反应，氨逃逸是无法避免的，有研究表明，氨逃逸率不大于2.28 mg/m3（3 ppm）时，对脱硝后烟道设备影响较小[4]。而且由于硫酸氢铵具有强黏性（表1），烟气中有少量硫酸氢铵附着在粉尘上可以降低粉尘的比电阻，使粉尘在除尘器电区中更易被荷电收集，同时硫酸氢铵还可以粘聚粉尘，改变粉尘粒径，在布袋区使粉尘更容易被拦截过滤。
但是，过量的氨逃逸将导致大量的硫酸氢铵生成，烟气流经空预器、低温省煤器到达除尘器后温度降至100 ℃左右，此时硫酸氢氨已经从气态充分凝结，大量硫酸氢铵对电袋复合除尘器的除尘效率有较大的不利影响。
下面以包头某煤化工热电站锅炉配套电袋复合除尘器实际运行故障为例进行说明。据反馈，该机组投运后其电袋复合除尘器在运行一段时间后阻力居高不下，设计运行阻力为不大于1 200 Pa，实际运行阻力为1 600 Pa左右，后期逐渐上升，最高达到了4 300 Pa。运营方利用机组检修的机会，对除尘器内部进行检修，发现内部大量积灰，且不易清理。在电场区可以看到阴极线被积灰包裹，针刺肥大（图2）;布袋区滤袋积灰严重，且呈球状（图3）。
结合该机组运行期间发现脱硝喷氨装置多个喷嘴脱落，氨逃逸检测装置故障，判断可能是氨逃逸过量导致的积灰。运营方对积灰NH4 +、SO4 2-含量进行分析，结果如表2所示。
根据经验，氨含量超过1 mg/g时即除尘器已发生较严重堵塞，无法有效清灰，由此可见，该机组氨逃逸现象特别严重。
硫酸氢铵呈酸性，将积灰少量置于玻璃皿中，用水完全润湿，用pH计检测酸碱度，取样的粉尘呈酸性，pH值为5.43。由以上信息可以进一步证实积灰是由硫酸氢铵含量过高造成的。
电袋复合除尘器电区除尘是利用阴极针刺线尖端放电的原理对粉尘荷电，使荷电粉尘在电场区中被阳极板收集，针刺线肥大会造成导电体的曲率半径增大，电荷密度下降[5]，表现为二次电流降低，若阴阳极积灰过多，甚至会出现反电晕现象，使电区除尘效率大幅降低。同时，因为硫酸氢铵呈酸性，对针刺线有腐蚀作用，过量硫酸氢铵粉尘长期包裹针刺线，会使针尖钝化，对阴极放电产生不可逆的负面影响。
电区除尘效率降低，必将造成布袋区除尘负荷的增加，具有强黏性的粉尘大量附着在滤袋上，造成清灰困难，这是运行阻力大幅上升的直接原因。长期清灰困难将使黏性粉塵渗入滤袋内部，造成滤袋不可逆堵塞。滤袋堵塞，引起过滤风速增大，超出设计允许值，可能造成破袋，使滤袋失效，排放超标。图4所示为对该电袋复合除尘器滤袋的电镜分析，可见其纤维层中存在大量板结粉尘。
进一步对滤袋进行透气性分析（表3），由结果可见，积灰是滤袋过滤效率下降，设备阻力上升的主要原因。
氨逃逸产生的过量硫酸氢铵不但对电袋复合除尘器的电区、袋区的运行有负面影响，对排灰也会造成阻碍。粉尘中含硫酸氢铵将造成收集的粉尘流动性变差甚至板结，导致输灰不畅甚至堵塞，若达到储灰安全极限，对除尘器形成结构性安全威胁，将迫使机组停运，造成巨大的经济损失，这在机组运行中属于重大的安全隐患。因此，重视脱硝氨逃逸监测，对保障整个系统的安全稳定运行有着重要的意义。
电袋复合除尘器相比电除尘器，在除尘效率以及适用范围等方面有显著的优势，但在防范氨逃逸引起的设备异常方面，电袋复合除尘器应用机组应当更加重视。硫酸氢铵积灰的一大特点是附着稳固，清理困难，但利用硫酸氢铵溶于水的特性，可以采用水洗方法在停炉检修时清理电除尘器。显然，这一方法不适用于电袋复合除尘器，若出现严重的糊袋异常，目前只能采用更新滤袋的方式恢复设备性能，因此重视氨逃逸监测，避免氨逃逸超标，可以减少电袋复合除尘器运维的成本。
3 故障预防措施
根据故障产生的原因，可以从运行、检修、技术改造以及运行参数调整的角度预防氨逃逸对电袋复合除尘器的影响。 （1）加强脱硝氨逃逸的监测，若运行中发现NOx排放升高，应当及时准确判断原因，不能简单地增加氨的喷入量[6]，因为这可能是催化剂失效等原因造成的，此时增大喷氨量，可能造成大量氨逃逸，进一步加剧催化剂失效，引起恶性循环。另外，若发现耗氨量增加，应当及时检查喷氨装置是否发生泄漏，监测装置是否运行正常。
（2）加强对电袋复合除尘器的日常检修，做到“逢停必检，有损必修”，检查阴极线、阳极板是否有积灰，运行阻力是否正常等，若出现积灰、糊袋等现象，应当及时分析原因并解决，必要时可以暂时关闭低温省煤器，以提高烟温[7]。
（3）利用CFD（计算流体动力学）模拟喷氨流场，合理布置喷氨点，以提高氨利用率。对电袋复合除尘器采用增强型振打装置、喷吹装置，加强清灰力度;增设阴极吊点热风吹扫装置，防止硫酸氢铵粉尘进入吊点位置，杜绝绝缘瓷瓶短路[8]。
（4）调整电袋复合除尘器的阴阳极振打周期、布袋喷吹清灰周期，防止粉尘长时间聚集。
4 结语
在燃煤电厂投运过程中，要重视脱硝系统喷氨量的控制与监测。本文通过对实例的分析，列举了氨逃逸对电袋复合除尘器运行的影响，也对此从运行、检修、技术改造以及运行参数调整的角度提出了若干建议，可以为其他同类型设备的运维提供参考。
[参考文献]
[1] 环境保护部，国家发展和改革委员会，国家能源局.关于印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知：环发〔2015〕164号[A].
[2] 马双忱，郭蒙，宋卉卉，等.选择性催化还原工艺中硫酸氢铵形成机理及影响因素[J].热力发电，2014，43（2）：75-78.
[3] 郑方栋.SCR脱硝烟气中硫酸氢铵的生成机理研究[D].杭州：浙江大学，2016.
[4] 吴冰.火电厂烟气SCR脱硝中主要运行指标及其副产品浅析[J].大众标准化，2011（S2）：33-35.
[5] 徐广立.电除尘器的运行与维护[J].电力环境保护，2004，20（4）：34-35.
[6] 張磊，石维彬.350 MW机组锅炉布袋除尘器布袋失效的原因分析及预防[J].冶金动力，2017（4）：10-13.
[7] 申加旭，陈红，邱亚林，等.电除尘器阳极板与阴极线粘灰故障处理及防范对策[J].通信电源技术，2019，36（4）：124-128.
[8] 修鸿栋.热风吹扫系统克服脱硝氨逃逸造成电除尘器短路影响的成功应用[J].低碳世界，2017（14）：8-9.
收稿日期：2021-06-04
作者简介：陈信良（1987—），男，福建永定人，工程师，研究方向：烟气除尘。
关键词：氨逃逸;电袋除尘器;硫酸氢铵;积灰
0 引言
近年来，尽管我国大力开展新能源建设，但在目前以及未来相当长的一段时间内，火力发电装机容量将依然占据我国电力供应的主导地位。燃煤电厂产生了大量的粉尘、SO2、NOx、汞及化合物等污染，为控制烟气排放达到国家标准，烟气治理中采用了一系列的收尘措施。以氮氧化合物（NOx）为例，根据《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》（环发〔2015〕164号）文件要求，燃煤电厂烟气污染物中NOx≤50 mg/m3（标干态，6% O2）[1]，脱硝效率需要调高至90%以上，目前采用的选择性催化还原法，简称SCR，是我国燃煤电厂应用最广泛的烟气脱硝技术。综合经济效益的考量，SCR反应器通常采用高灰型布置方式（流程如图1所示），NH3是SCR脱硝技术的还原剂，通常由液氨或者尿素热解提供。在催化剂的作用下，将燃煤烟气中的NOx还原成N2和H2O;另外，烟气中的部分SO2也会被氧化成SO3。
燃煤电厂通常采用增加催化剂层数以及加大喷氨量的方式来提高脱硝效率，因此随着脱硝效率的提高，氨逃逸也会相应增加，氨逃逸的副产品硫酸氢铵（ABS）对后续除尘设备的运行效能会产生许多负面的影响。
1 硫酸氢铵的生成机理
有研究表明，硫酸氢铵的生成温度为190～240 ℃[2]，根据硫酸氢铵的物理特性（表1），硫酸氢铵的沸点为350 ℃，而SCR催化剂最佳的反应温度在340～380 ℃，可见在副反应发生时，生成的硫酸氢铵主要为气相，其在温度降低时凝结[3]。在具体的工程应用中，若发现催化剂失活，短时间内可以通过增加锅炉负荷，提高烟温使硫酸氢铵气化，从而让催化剂恢复活性。
2 氨逃逸对电袋复合除尘器的影响
根据工程经验，由于脱硝无法完全反应，氨逃逸是无法避免的，有研究表明，氨逃逸率不大于2.28 mg/m3（3 ppm）时，对脱硝后烟道设备影响较小[4]。而且由于硫酸氢铵具有强黏性（表1），烟气中有少量硫酸氢铵附着在粉尘上可以降低粉尘的比电阻，使粉尘在除尘器电区中更易被荷电收集，同时硫酸氢铵还可以粘聚粉尘，改变粉尘粒径，在布袋区使粉尘更容易被拦截过滤。
但是，过量的氨逃逸将导致大量的硫酸氢铵生成，烟气流经空预器、低温省煤器到达除尘器后温度降至100 ℃左右，此时硫酸氢氨已经从气态充分凝结，大量硫酸氢铵对电袋复合除尘器的除尘效率有较大的不利影响。
下面以包头某煤化工热电站锅炉配套电袋复合除尘器实际运行故障为例进行说明。据反馈，该机组投运后其电袋复合除尘器在运行一段时间后阻力居高不下，设计运行阻力为不大于1 200 Pa，实际运行阻力为1 600 Pa左右，后期逐渐上升，最高达到了4 300 Pa。运营方利用机组检修的机会，对除尘器内部进行检修，发现内部大量积灰，且不易清理。在电场区可以看到阴极线被积灰包裹，针刺肥大（图2）;布袋区滤袋积灰严重，且呈球状（图3）。
结合该机组运行期间发现脱硝喷氨装置多个喷嘴脱落，氨逃逸检测装置故障，判断可能是氨逃逸过量导致的积灰。运营方对积灰NH4 +、SO4 2-含量进行分析，结果如表2所示。
根据经验，氨含量超过1 mg/g时即除尘器已发生较严重堵塞，无法有效清灰，由此可见，该机组氨逃逸现象特别严重。
硫酸氢铵呈酸性，将积灰少量置于玻璃皿中，用水完全润湿，用pH计检测酸碱度，取样的粉尘呈酸性，pH值为5.43。由以上信息可以进一步证实积灰是由硫酸氢铵含量过高造成的。
电袋复合除尘器电区除尘是利用阴极针刺线尖端放电的原理对粉尘荷电，使荷电粉尘在电场区中被阳极板收集，针刺线肥大会造成导电体的曲率半径增大，电荷密度下降[5]，表现为二次电流降低，若阴阳极积灰过多，甚至会出现反电晕现象，使电区除尘效率大幅降低。同时，因为硫酸氢铵呈酸性，对针刺线有腐蚀作用，过量硫酸氢铵粉尘长期包裹针刺线，会使针尖钝化，对阴极放电产生不可逆的负面影响。
电区除尘效率降低，必将造成布袋区除尘负荷的增加，具有强黏性的粉尘大量附着在滤袋上，造成清灰困难，这是运行阻力大幅上升的直接原因。长期清灰困难将使黏性粉塵渗入滤袋内部，造成滤袋不可逆堵塞。滤袋堵塞，引起过滤风速增大，超出设计允许值，可能造成破袋，使滤袋失效，排放超标。图4所示为对该电袋复合除尘器滤袋的电镜分析，可见其纤维层中存在大量板结粉尘。
进一步对滤袋进行透气性分析（表3），由结果可见，积灰是滤袋过滤效率下降，设备阻力上升的主要原因。
氨逃逸产生的过量硫酸氢铵不但对电袋复合除尘器的电区、袋区的运行有负面影响，对排灰也会造成阻碍。粉尘中含硫酸氢铵将造成收集的粉尘流动性变差甚至板结，导致输灰不畅甚至堵塞，若达到储灰安全极限，对除尘器形成结构性安全威胁，将迫使机组停运，造成巨大的经济损失，这在机组运行中属于重大的安全隐患。因此，重视脱硝氨逃逸监测，对保障整个系统的安全稳定运行有着重要的意义。
电袋复合除尘器相比电除尘器，在除尘效率以及适用范围等方面有显著的优势，但在防范氨逃逸引起的设备异常方面，电袋复合除尘器应用机组应当更加重视。硫酸氢铵积灰的一大特点是附着稳固，清理困难，但利用硫酸氢铵溶于水的特性，可以采用水洗方法在停炉检修时清理电除尘器。显然，这一方法不适用于电袋复合除尘器，若出现严重的糊袋异常，目前只能采用更新滤袋的方式恢复设备性能，因此重视氨逃逸监测，避免氨逃逸超标，可以减少电袋复合除尘器运维的成本。
3 故障预防措施
根据故障产生的原因，可以从运行、检修、技术改造以及运行参数调整的角度预防氨逃逸对电袋复合除尘器的影响。 （1）加强脱硝氨逃逸的监测，若运行中发现NOx排放升高，应当及时准确判断原因，不能简单地增加氨的喷入量[6]，因为这可能是催化剂失效等原因造成的，此时增大喷氨量，可能造成大量氨逃逸，进一步加剧催化剂失效，引起恶性循环。另外，若发现耗氨量增加，应当及时检查喷氨装置是否发生泄漏，监测装置是否运行正常。
（2）加强对电袋复合除尘器的日常检修，做到“逢停必检，有损必修”，检查阴极线、阳极板是否有积灰，运行阻力是否正常等，若出现积灰、糊袋等现象，应当及时分析原因并解决，必要时可以暂时关闭低温省煤器，以提高烟温[7]。
（3）利用CFD（计算流体动力学）模拟喷氨流场，合理布置喷氨点，以提高氨利用率。对电袋复合除尘器采用增强型振打装置、喷吹装置，加强清灰力度;增设阴极吊点热风吹扫装置，防止硫酸氢铵粉尘进入吊点位置，杜绝绝缘瓷瓶短路[8]。
（4）调整电袋复合除尘器的阴阳极振打周期、布袋喷吹清灰周期，防止粉尘长时间聚集。
4 结语
在燃煤电厂投运过程中，要重视脱硝系统喷氨量的控制与监测。本文通过对实例的分析，列举了氨逃逸对电袋复合除尘器运行的影响，也对此从运行、检修、技术改造以及运行参数调整的角度提出了若干建议，可以为其他同类型设备的运维提供参考。
[参考文献]
[1] 环境保护部，国家发展和改革委员会，国家能源局.关于印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知：环发〔2015〕164号[A].
[2] 马双忱，郭蒙，宋卉卉，等.选择性催化还原工艺中硫酸氢铵形成机理及影响因素[J].热力发电，2014，43（2）：75-78.
[3] 郑方栋.SCR脱硝烟气中硫酸氢铵的生成机理研究[D].杭州：浙江大学，2016.
[4] 吴冰.火电厂烟气SCR脱硝中主要运行指标及其副产品浅析[J].大众标准化，2011（S2）：33-35.
[5] 徐广立.电除尘器的运行与维护[J].电力环境保护，2004，20（4）：34-35.
[6] 張磊，石维彬.350 MW机组锅炉布袋除尘器布袋失效的原因分析及预防[J].冶金动力，2017（4）：10-13.
[7] 申加旭，陈红，邱亚林，等.电除尘器阳极板与阴极线粘灰故障处理及防范对策[J].通信电源技术，2019，36（4）：124-128.
[8] 修鸿栋.热风吹扫系统克服脱硝氨逃逸造成电除尘器短路影响的成功应用[J].低碳世界，2017（14）：8-9.
收稿日期：2021-06-04
作者简介：陈信良（1987—），男，福建永定人，工程师，研究方向：烟气除尘。