尿素脱硝系统氨逃逸量控制技术研究

尿素脱硝系统氨逃逸量控制技术研究

陈飞雄

江苏华电句容发电有限公司  江苏省句容市212499

摘要：随着全球环保意识的增强和环保法规的日益严格，火电厂作为主要的能源供应单位，其烟气排放问题受到了广泛关注。氮氧化物（NOx）作为火电厂烟气中的主要污染物之一，其排放控制已成为环保工作的重点。目前，选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术作为世界上最先进的火力发电厂烟气脱硝主流技术之一，被广泛应用于火电厂中。该技术通过喷氨和催化剂的作用，将烟气中的NOx转化为无害的氮气和水，有效降低了NOx的排放。

关键词：尿素脱硝系统 氨逃逸量 催化剂堵塞

一、尿素脱硝系统基本原理

尿素脱硝系统，特别是基于选择性非催化还原（Selective Non-Catalytic Reduction，简称SNCR）技术的系统，在火电厂等工业领域中被广泛用于减少烟气中的氮氧化物（NOx）排放。尿素脱硝系统主要由尿素溶液制备系统、脱硝计量泵站系统、分配模块、脱硝喷枪、压缩空气调压模块、自动控制系统等组成。

尿素脱硝系统的工作原理基于SNCR技术。首先，将干尿素按一定比例加入合适温度的除盐水中，制成一定浓度的尿素溶液（如50%质量浓度）。经过制备的尿素溶液，借助专门的尿素溶液给料泵，被稳定地输送到尿素溶液储罐中进行暂存。接着，高效的高流量循环系统利用可调节转速的变频循环泵，从储罐中抽取尿素溶液，并将其高效输送至一个智能的计量与分配设备。此设备能够敏锐地响应锅炉的实时负荷变化，精确计算并自动将适量的尿素溶液分配至各个雾化喷枪。随后，这些喷枪将尿素溶液雾化成微小液滴，直接喷射进入炉膛的高温核心区（温度范围通常维持在850至1100摄氏度之间），以实现预期的化学反应或排放控制目标。在高温条件下，尿素迅速热解生成氨气（NH3）、水蒸气（H2O）和二氧化碳（CO2）。生成的氨气与烟气中的NOx（主要是一氧化氮NO和二氧化氮NO2）在炉膛内发生非催化还原反应，生成无害的氮气（N2）和水蒸气。通过精确控制尿素溶液的喷射量和喷射位置，以及优化炉膛内的温度分布和流场条件，可以最大限度地提高脱硝效率并减少氨逃逸。氨逃逸量过高可能会导致后续设备腐蚀和环境污染，因此需要通过智能控制系统实时监测和调整尿素溶液的喷射量。经过SNCR脱硝处理后的烟气中NOx含量显著降低，达到环保排放标准后排放至大气中。

二、氨逃逸产生机制

氨逃逸现象，在SCR（选择性催化还原）脱硝技术中，指的是一个未完全预期的过程：部分氨气（NH₃）并未能如设计般与烟气中的NOx（氮氧化物）在催化剂的催化下有效转化为氮气（N₂）和水（H₂O），而是未经反应便随烟气一同离开系统。这一现象的背后，是化学反应动力学与物理条件的复杂交织。

当SCR系统中的温度、催化剂的活性状态等关键参数未能达到最佳时，氨气与NOx之间的还原反应便无法充分进行，导致部分氨气“逃脱”了预定的反应路径。这些逃逸的氨气，不仅会对SCR系统的核心——催化剂造成损害，因为它们会与烟气中的SO₃等组分反应生成硫酸铵盐等腐蚀性物质，这些物质沉积在催化剂表面，形成屏障，阻碍了反应气体的有效接触与扩散，进而削弱了催化剂的性能，甚至可能使其失效。硫酸铵盐的沉积问题还延伸到了SCR系统之后的设备，如空气预热器、除尘器等，它们同样面临着因沉积物而导致的堵塞与腐蚀风险，影响了整个烟气处理系统的顺畅运行。

逃逸的氨气作为一种挥发性气体，其排放到大气中后，会参与一系列化学反应，可能加剧大气污染，如促进臭氧和颗粒物的形成，对空气质量构成威胁。对于人类健康而言，长期暴露于含高浓度氨气的环境中，也可能诱发呼吸系统的健康问题。

三、氨逃逸量影响因素分析

1、化学反应过程

在SCR（选择性催化还原）技术应用于脱除烟气中NOx（氮氧化物）的过程中，氨气（NH₃）作为还原剂，在催化剂的催化作用下，理论上应与NOx发生化学反应，转化为无害的氮气（N₂）和水（H₂O）。然而，实际操作中，若反应条件未能达到最优化，比如催化剂的活性未能充分展现，或者反应温度偏离了最佳范围，那么就会有一部分氨气未能按照预期路径参与反应，而是直接从系统中“漏网”，这种现象被称为氨逃逸。

2、物理因素

温度，作为SCR（选择性催化还原）反应中的一个核心调控因素，对反应效率具有显著影响。当反应温度偏低时，NOx（氮氧化物）与氨气（NH₃）之间的化学反应动力减缓，这意味着反应速率下降，部分氨气因此未能及时参与反应而逃逸出系统，增加了氨逃逸现象。相反，若反应温度过高，虽然理论上能加速反应，但也可能触发氨气的非目标氧化反应，生成NO，这种副产物的出现间接加剧了氨气的损失，同样表现为氨逃逸量的上升。虽然压力对SCR反应的影响相对较小，但烟气压力的变化可能会影响烟气流速和分布，进而影响氨气与NOx的混合效果，间接导致氨逃逸的增加。烟气流速过高会导致氨气与NOx在催化剂表面的停留时间缩短，反应不充分，从而增加氨逃逸。反之，流速过低则可能降低系统的处理能力。

3、设备运行状态

喷氨系统的流量分布不均、喷嘴堵塞或雾化效果不佳等问题都会导致氨气在烟气中的分布不均，部分区域氨气浓度过高而未能充分反应，从而增加氨逃逸。

烟气流场的不均匀性也会影响氨逃逸。烟气流速在烟道的横截面各个位置不能均匀分布时，会导致局部氨逃逸偏高。此外，烟气中的飞灰含量也会影响催化剂的效率和氨逃逸量。

锅炉燃烧波动时，烟气中的NOx浓度会大幅波动。为了维持脱硝效率，往往需要增加喷氨量，这会导致氨逃逸量增加。

四、氨逃逸量控制技术研究

1、催化剂优化

选择活性高、抗中毒能力强、寿命长的催化剂，以提高SCR反应的效率和稳定性。

催化剂再生与更换：定期对催化剂进行再生处理，恢复其活性；当催化剂性能严重下降时，及时更换新催化剂。根据脱硝效率和氨逃逸量的要求，合理设置催化剂的层数和布置方式，以提高整体脱硝性能。

2、喷氨系统优化

优化喷氨格栅的布置和喷嘴的选型，确保氨气在烟气中的均匀分布。采用先进的控制算法和调节阀，精确控制喷氨量，避免过量喷氨导致的氨逃逸。实时监测氨气的质量和流量，确保喷入SCR反应器的氨气质量稳定可靠。

3、烟气流场优化

在SCR反应器入口和内部设置导流板，改善烟气流场的均匀性，减少局部氨逃逸。在导流板后加装气流均布器（如整流格栅），进一步改善烟气流场的均匀性。优化烟道的设计，减少烟气的湍流和涡流，提高烟气流场的稳定性。

4、控制系统优化

引入预测控制、融合改进的状态变量控制、相位补偿控制等先进技术，提高脱硝系统闭环稳定性和抗扰动能力。建立完善的自动控制系统，实时监测SCR反应器的运行参数（如温度、压力、NOx浓度等），并根据监测结果自动调整喷氨量等控制参数。建立基于脱硝效率和氨逃逸量的运行指导卡片，为操作人员提供科学的运行指导。

5、氨逃逸监测与反馈

采用高灵敏度的氨逃逸监测仪表（如基于TDLAS技术的监测仪表），实时监测氨逃逸量。将氨逃逸监测数据实时反馈至控制系统，根据监测结果自动或手动调整喷氨量等控制参数，以降低氨逃逸量。结合氮氧化物监测系统，实现基于氨逃逸和氮氧化物的闭环优化控制，在满足氮氧化物排放要求的基础上最大程度上降低氨逃逸浓度。

五、结束语

随着环保法规的日益严格和技术的不断进步，火电厂尿素脱硝系统氨逃逸量控制技术将面临更多的挑战与机遇。我们将继续深入研究相关技术，不断探索新的控制策略和优化方法，以更好地满足环保要求和提高机组运行效率。同时，我们也将加强与其他行业的交流与合作，共同推动环保技术的进步和发展。火电厂尿素脱硝系统氨逃逸量控制技术的研究与实践，对于推动我国火电行业的绿色转型和可持续发展具有重要意义。我们相信，在全体科研人员和工程技术人员的共同努力下，这项技术必将取得更加辉煌的成就。

参考文献

[1]谢志勇.火电厂氨逃逸率影响因素控制方法及意义[J].科学与财富.2017.8

[2]佟春海.郭家湾电厂SNCR脱硝自动控制系统优化[J].神华科技.2018.4