摘要

对脱硝系统进行性能验收试验，是为了检验脱硝系统的整体性能及主要运行指标。通过SCR脱硝性能参数、污染物排放情况、能耗等参数的检测，可以全面了解系统的整体运行状况，从而对脱硝装置整体性能做出客观、准确、全面的评价，为脱硝系统的运行提供有效指导。同时，对于没有达到设计指标的参数，可以通过试验找出原因，进而提出合理的解决措施。

随着国家环保政策的管控力度逐渐加大，对水泥窑尾烟气NOx排放也有更高的要求，各地政府陆续出台地方性超低排放标准，标准规定NOx排放不得高于50 mg/Nm3低浓度排放要求。行业内部分企业已率先使用SCR烟气脱硝技术，但随着行业脱硝系统的普及，对于水泥行业新建的脱硝系统，如何评价其系统的性能及综合运行指标却没有要求。本文将借鉴电力行业SCR脱硝系统的性能考核指标，一一对其必要性进行阐述。

1　SCR烟气脱硝性能评价指标

根据DL/T 260—2012《燃煤电厂烟气脱硝装置性能验收试验规范》规定，SCR系统性能评价指标包括应做项目和选做项目两类。

1.1　应做项目

SCR烟气脱硝系统性能评价试验应做项目包括：①烟气温度；②烟气流量；③NOx浓度；④脱硝效率；⑤氨逃逸浓度；⑥烟尘浓度；⑦SO2/SO3转化率；⑧还原剂耗量；⑨NH3/NOx摩尔比；⑩烟气脱硝系统压力降。

1.2　选做项目

SCR烟气脱硝系统性能评价试验选做项目包括：①电能消耗量；②水消耗量；③压缩空气消耗量；④噪声；⑤保温设备表面温度；⑥根据烟气脱硝装置具体的工艺、技术协议要求和现场试验条件选择试验项目。

2　评价指标的关联性分析

2.1　催化剂活性与烟气温度的关系

SCR催化剂活性的高低与入口烟气温度的高低有着直接的关系，入口烟气温度低会使催化剂活性与反应速率降低，使脱硝效率下降，导致喷氨量增大，尾部烟道中的氨浓度将升高，氨逃逸增大。图1为催化剂活性与烟气温度的关系。

图1　催化剂活性与烟气温度的关系

从图1中可以看出，随着温度的逐渐升高催化剂活性越高，一旦温度升高到400 ℃时催化剂活性开始下降，所以脱硝系统在运行期间烟气温度的取值是非常重要的。

2.2　脱硝效率

脱硝效率表征SCR系统脱硝能力的大小。影响脱硝效率的因素有很多，主要因素有反应温度、NH3/NOx摩尔比、空间速率和氮氧化物浓度等。脱硝运行调整的最终目的是在脱硝系统稳定运行的基础上实现脱硝系统运行指标优化，降低运行成本，因此脱硝效率就成为衡量运行调整的主要依据。图2为脱硝效率与反应温度的关系，图3为脱硝效率与入口NOx浓度的关系。

图2　脱硝效率与反应温度的关系

图3　脱硝效率与入口NOx浓度的关系

从图2中可以看出，随着反应温度的逐渐升高，脱硝效率也逐渐升高，一旦温度升高到400 ℃时脱硝效率达到最大值，所以脱硝系统在运行期间想要保持较高脱硝效率，烟气温度的取值是非常重要的。从图3中可以看出，SCR脱硝系统入口的NOx浓度值并不是越高越好，入口的NOx浓度值越高脱硝效率越低，若要保持较高的脱硝效率，入口的NOx值应控制在300 mg/Nm3左右。

2.3　SO2/SO3转化率

由于温度对催化剂活性的影响，一般SCR反应器布置在预热器C1出口，若烟气中的SO2浓度高时在催化剂对脱硝反应起到催化作用的同时，部分SO2也会在催化剂的作用下被氧化成SO3，使烟气中的SO3浓度升高。在烟气温度低于230 ℃时，脱硝系统出口逃逸的氨与烟气中的SO3反应生成NH4SO4。NH4SO4具有黏稠性质，造成催化剂堵塞，反应器压差缓慢升高，从而使高温风机出力降低，影响窑系统出力。图4为SO2/SO3转化率与反应温度的关系。

图4　SO2/SO3转化率与反应温度的关系

从图4中可以看出，SO2/SO3转化率与温度成正比关系，温度越高，SO2/SO3转化率越高，但SO2/SO3转化率与烟气量、入口SO2浓度成反比关系，烟气量、入口SO2浓度越大，SO2/SO3转化率越低，

2.4　烟气流量

烟气流量是脱硝效率控制回路一个重要的控制参数，烟气量的大小直接影响着脱硝还原剂耗量的大小，最终控制脱硝系统实际的喷氨量，是运行人员对喷氨量控制的一个重要参考依据。因此，烟气流量测量的准确性对于SCR法脱硝工艺控制的成败是至关重要的。图5为脱硝效率与烟气流量的关系。

图5　脱硝效率与烟气流量的关系

如图5所示，烟气量越大，脱硝效率越低，一般选择脱硝效率不低于80%。

2.5　烟尘浓度

在烟气进入SCR反应器时，若烟尘浓度大，其中的CaSO4及CaO（可与烟气中的SO3/SO2反应生成CaSO4）会堵塞催化剂微孔，影响反应气向活性位点扩散。催化剂在含高钙飞灰的烟气中长期运行会增加催化剂的磨损。烟气中的水分会对碱（土）金属中毒产生协同作用，导致催化剂活性位快速丧失，严重影响脱硝效率。

2.6　氨逃逸浓度

SCR反应器出口NH3逃逸率是衡量脱硝系统性能的重要指标之一。喷氨量的大小直接影响脱硝效率以及氨逃逸浓度的大小，既要保证有足够的氨气和NOx反应保证排放浓度，又要避免因反应不充分使烟气中氨气过量逃逸。若氨逃逸过量不仅会增加对下游设备的腐蚀，影响催化剂的使用寿命，使其寿命缩短，而且还会污染烟尘，以及增加氨逃逸浓度。

2.7　NH3/NOx摩尔比

NH3/NOx摩尔比是评价SCR经济性的指标，在相同的脱硝效率下，NH3/NOx摩尔比高的脱硝工艺，其运行费用高，因为需要消耗更多的还原剂。氨氮摩尔比设置与还原剂用量设计有关，氮氧化物排放浓度一定的前提下，确定摩尔比参数以设计还原剂系统。脱硝系统运行中氨氮摩尔比有一个最合理值，此时脱硝效率最佳，再增大还原剂量即摩尔比继续增加，脱硝效率也几乎不再增加，相反氨逃逸率会迅速上升，导致下游设备产生堵塞、腐蚀等问题。图6为氨氮摩尔比与氨逃逸浓度的关系，图7为脱硝效率与氨氮摩尔比的关系。

图6　氨氮摩尔比与氨逃逸浓度的关系

图7　脱硝效率与氨氮摩尔比的关系

如图6、图7所示，NH3/NOx摩尔比值越大，氨逃逸越大，在氨逃逸浓度不超过3 ppm、脱硝效率不低于80%的情况下，根据曲线可选择NH3/NOx摩尔比为0.85左右。

2.8　还原剂耗量

在脱硝装置性能指标满足设计规程要求的前提下，还原剂的耗量是衡量系统运行经济型的主要指标，也是评价优化实际效果的重要依据。图8为氨耗量与入口NOx浓度的关系。

图8　氨耗量与入口NOx浓度的关系

如图8所示，还原剂耗量和入口NOx浓度成正比，入口NOx浓度越大，氨耗量越高。所以在满足其他工艺要求的情况下，NOx值应控制在400 mg/m3以下最为合适。

2.9　系统阻力

SCR脱硝装置使烟气阻力增加，而且对催化剂容积积灰堵塞，且随着运行时间的增长，催化剂堵塞的情况也越严重，将导致高温风机的电耗增加。

3　评价指标相关性分析

从图1~图8中可以看出，反应温度与脱硝效率、催化剂活性是有直接的关系的，但并不是反应温度越高催化剂活性和脱硝效率越高，当烟气温度超过400 ℃时，脱硝效率与催化剂活性是直线下降的，同时SO2/SO3转化率也是直线升高。但由于水泥行业大部分水泥窑烟气中基本不存在SO2，所以在保证脱硝效率在80%以上、氨耗量不高同时保证催化剂活性的情况下，烟气温度应该保持300~400 ℃之间，入口的NOx值应控制在400 mg/m3以内。同时在保证脱硝效率在80%以上、氨逃逸浓度不超过3 ppm的同时，NH3/NOx摩尔比为0.85左右。

4　结束语

水泥窑窑尾SCR脱硝系统进行性能验收试验，可以全面了解脱硝装置的运行情况，包括性能参数、污染物排放情况、能耗等，从而对脱硝装置整体性能做出客观、准确、全面的评价，为脱硝系统的运行提供有效指导。同时，对于没有达到设计指标的参数，可以通过试验找出原因，进而提出合理的解决措施。

水泥窑SCR脱硝系统与电力行业是有一定的区别的，其少了氨区、稀释风机、热解槽、以及喷氨格栅。所以在开展脱硝性能验收时，可根据技术协议中的考核指标和业主自身需要，自行选择应做项目指标。