国华太仓发电有限公司, 江苏省 太仓市 215400
摘要：NH4HSO4 生成是造成空预器堵塞的主要原因之一，其生成特性与逃逸氨及烟气中 SO 3 浓度有着直接关联。研究利用空预器模拟试验平台，探讨了NH4HSO4 形成温度及其与烟气中 NH3 、SO3 浓度的关系，并对空预器出口颗粒物物性进行了测试分析。结果表明：NH4HSO4 形成温度在 235~260℃，并与 NH3 、SO3 浓度乘积的对数值呈正相关函数关系。因NH4HSO4生成而产生的颗粒物主要为粒径小于 0.2 μm 的亚微米级颗粒。由于空预器中的逃逸氨浓度通常低于SO3 的浓度，因此空预器出口颗粒物的数量浓度及粒径分布与NH3 浓度存在明显正相关关系，提高NH3 浓度会明显增加NH4HSO4 的生成量，使空预器出口处粒径小于 0.1 μm 的颗粒物数量浓度升高，相比之下，增加SO3 浓度对颗粒物数量浓度的影响较小，但会使颗粒物粒径出现小幅度增大。
关键词：硫酸氢氨；空预器；
随着国内环保要求的不断提高，以及国家对人居环境的重视，要求新安装机组必须同时安装脱硝装置，因此燃煤机组安装脱硝装置是必然趋势，长期稳定投入运行也是必然要求。新安装机组烟气脱硝过程普遍采用选择性催化还原法(SCR)，(SCR) 烟气脱硝装置具有结构简单，脱硝效率高，运行可靠，便于维护等优点，但脱硝装置的长期投入，也带来了一系列的问题，特别是空预器阻力增大问题最为突出，因此探讨脱硝过程中硫酸氢氨的生成过程及其对空预器造成的影响有重要的意义。
1. 影响空预器的主要污染物
NOx 是燃煤电厂的主要烟气污染物之一。目前，最广泛应用的燃煤电站烟气脱硝技术是选择性催化还原法(SCR)，通过加入还原剂 NH3 ，在催化剂的催化作用下将 NOx 转化为 N2 ；且 SCR 脱硝装置大多布置在省煤器与空预器之间(高尘布置方式)。 作为 SCR 核心的催化剂，商业中广泛采用的是 V 2 O 5 -WO 3(或 MoO3 )/TiO2 催化剂，其中的钒氧化物是主要催化活性组分，它不仅能催化脱硝反应，同时还会将烟气中的部分 SO2 催化氧化为 SO3 并随烟气进入后续设备。此外，还原剂 NH3 在 SCR 脱硝设备中无法全部与 NOx 反应，未反应部分 NH3 (逃逸氨)会随烟气进入到空预器中，并与 SO3 、H2O 发生以下反应，生成(NH4)2 SO4、NH4HSO4 等硫酸氨盐。而空预器的中低温段区域的温度范围正好处于硫酸氨盐的凝结温度区间，在此区间内硫酸氨盐会大量凝结生成，其中黏性的 NH4HSO4 是导致空预器堵塞的主要原因之一关于 NH4HSO4 的形成已有部分研究。研究表明 NH4HSO4 与(NH4 )2 SO4 两种氨盐的形成取决于温度和反应物体积分数。Radian 公司建立了空预器中 NH4HSO4 生成的动力学方程，并定性说明了 NH4HSO4 的形成与温度和反应物体积分数呈正相关。之后通过实验方法不断缩小了NH4HSO4 形成温度区间，但在某些反应物浓度下不同研究者所得到的NH4HSO4形成温度仍相差很大，且缺少针对国内常见 SO3 浓度下NH4HSO4 形成温度的研究。而国内的研究主要关注NH4HSO4 造成的空预器堵塞问题及其防治措施，但对空预器中NH4HSO4 的形成特性还缺乏详尽认识。通过对垢样与飞灰的成分分析发现，空预器结垢主要是由黏性的NH4HSO4 造成，并提出通过定期喷氨优化解决；通过分析氨逃逸导致的空预器堵塞问题，提出采用空预器在线升温的办法进行防治。此外，有关 SCR 脱硝造成细颗粒物物性变化的研究也在近几年逐渐展开。对比两家典型燃煤电厂 SCR 脱硝系统前后的测试结果发现，脱硝后粒径大小为 0.1~1 μm 的细颗粒明显增多，且随喷氨量的增加而增加，并估计燃煤电厂安装 SCR 脱硝装置都会导致一次 PM 2.5 排放量增长，表明只要脱硝反应存在，就可能对电厂 PM 2.5 排放产生影响。针对商用 V 2 O 5 -WO 3 /TiO 2催化剂，开展了脱硝前后 PM 2.5 物性变化的试验室研究并发现，经 SCR 脱硝后，亚微米级细颗粒数量浓度(颗粒个数/标准立方米烟气)明显上升，且形貌特征及元素组成发生了变化，形成的细颗粒主要为硫酸 氨盐，形成量与 NH3 、SO2 、O2 、H2O 浓度及运行温度有关。通过原位红外试验证明烟气中的NH 3 能同时参与硫酸氨盐生成与脱硝反应。但已有研究主要针对 SCR 脱销反应器中的细颗粒物变化，对空预器中NH4HSO4 生成对颗粒物排放特性的影响缺乏关注。因此，充分了解空预器中NH4HSO4 的形成特性及其对颗粒物排放特性的影响具有重要意义。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2. 硫酸氢氨形成过程及对空预器的影响
2．1 (SCR)过程中硫酸氢氨的形成
锅炉烟气中存在 SO2 等气体，催化剂中的活性组分在催化降解 NOX 过程中，也会对 SO2 的氧化起到一定的催化作用，SO2 的氧化率与 V 2 O 5含量关系如图 1 所示(相对氧化率是指不同 V 2 O 5 含量的催化剂硫氧化速率与某基准 V 2 O 5 含量的催化剂硫氧化速率之比)。由此可见SO2 的氧化率随活性成分 V 2 O 5 含量增加而上升锅炉系统的SO2 将转化为 SO 3 ，二者之间的转化是温度的函数，随着温度的升高SO2 的氧化率增加，SO 3 含量增加将形成的硫酸蒸汽在空预器冷段凝结，腐蚀空预器受热面。脱硝过程中由于氨的不完全反应，氨逃逸是难免的，脱硝系统长时间运行催化剂模块坍塌损坏将造成氨逃逸率大幅增加，损坏的催化剂模块硫酸氨［(NH4 )2 SO4 ］在 450 ℃以下为固体粉末，且在氨气残余量很大时才大量生成，因此，正常运行的脱硝过程中硫酸氨生成量很少，对空预器几乎没有影响。
2．2 硫酸氢氨的特性及对空预器的影响
硫酸氢氨［NH4HSO4 ］在通常脱硝运行温度下，露点为 147 ℃，从气态向液态转变的温度区间正好在流经空预器部分的烟气温度区间内，烟气中已生成的气态硫酸氢氨会在空预器冷段的热元件凝结下来，液态硫酸氢氨是一种粘性很强的物质，在烟气中粘结飞灰，而硫酸氢氨的反应生成温度一般在150 ～200 ℃范围内，这一温度段正好在空气预热器的低温段，因此造成空预器冷端积灰严重，进而影响空预器的正常运行，空预器冷端积灰。
当硫酸氢氨从烟气中吸水后也会造成设备腐蚀，主要表现为点状电化学腐蚀，分布从空预器冷端向上 600 ～900 mm 范围内(随空预器工作温度情况而变化)。测试结果表明当氨逃逸率在1 ppm 以下时，硫酸氢氨生成量很少，空预器堵塞情况不明显，若逃逸率增加到 2 ppm，空预器运行半年后阻力增加约 30%，若逃逸率增加到 3 ppm以上，空预器运行半年后阻力增加约 50%，对引风机也会造成较大影响。因此，在脱硝过程中要严格控制氨的逃逸率，控制硫酸氢氨的生成。硫酸氢氨在低温下具有吸湿性，如果在低温催化剂上形成，会造成催化剂堵塞，增大催化剂层压降甚至造成催化剂失效。
3. 结 论
(1) NH4HSO4 的形成温度在 235~260℃，是反应物浓度乘积的函数，随反应物浓度乘积的增大而升高；
(2) 空预器出口因NH4HSO4 生成而产生的颗粒物主要为粒径小于 0.2 μm 的亚微米级颗粒，且颗粒物中 SO2浓度远高于NH4 + 。升高 NH3 浓度会明显增加颗粒物中 NH4 + 浓度，说明有更多NH4HSO4 生成，而升高SO3 浓度不会明显增加NH4 + 浓度。
(3) NH3 和 SO3 浓度升高均会使空预器出口颗粒物数量浓度增大，NH3 浓度的增加会明显增加空预器出口处粒径小于 0.1 μm 的颗粒物数量浓度，相比之下，增加SO3 浓度对颗粒物数量浓度的影响较小，但会使颗粒物粒径出现小幅度增大。
参考文献：
[1]龙远生,吴凯,黄国辉. 燃煤机组硫酸氢氨分区生成分析及空预器防黏结堵塞研究[J]. 江西电力,2018,42(08):60-63.
[2]张晨君. 高压水冲洗和升温气化硫酸氢氨解决空预器堵灰效果分析[J]. 山东工业技术,2019(07):176+127.
[3]马双忱,邓悦,吴文龙,张立男,柴峰,陈凡,韩停停,孙盼盼. SCR脱硝副产物硫酸氢氨与空预器中飞灰反应特性[J]. 环境工程学报,2016,10(11):6563-6570.
[4]宋立涛. 空预器堵灰原因分析及治理措施[J]. 中国高新技术企业,2017(03):35-36.
论文作者:李兵
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/28
标签：浓度论文; 硫酸论文; 烟气论文; 催化剂论文; 温度论文; 粒径论文; 颗粒物论文; 《中国电气工程学报》2019年第4期论文;