Решение проблемы образования ABS в результате денитрификации SCR
2025-10-31
С широким распространением систем денитрификации SCR эффективное удаление оксидов азота с помощью этих устройств позволило обеспечить эффективный контроль над выбросами NOx.
Однако в ходе этого процесса катализатор также окисляет часть SO₂ в дымовых газах до SO₃. Этот SO₃ вступает в реакцию с непрореагировавшим аммиаком, образуя бисульфат аммония (ABS; молекулярная формула NH₄HSO₄).
ABS обладает вязкими свойствами, что создает риск для катализаторов и воздухоподогревателей, а в некоторых случаях даже для пылеуловителей.
I. Механизм образования ABS
Активный компонент катализатора, ванадий, катализирует окисление SO₂:
V₂O₅ + SO₂ → V₂O₄ + SO₃ (1)
2SO₂ + O₂ + V₂O₄ → 2VOSO₄ (2)
2VOSO₄ → V₂O₅ + SO₂ + SO₃ (3)
Во время денитрификации неполные реакции аммиака неизбежно приводят к утечке аммиака. Полученный SO₂ далее реагирует с этим улетучившимся аммиаком с образованием сульфата аммония или ABS:
NH₃ + SO₃ + H₂O = NH₄HSO₄ (4)
2NH₃ + SO₃ + H₂O = (NH₄)₂SO₄ (5)
II. Факторы, влияющие на образование ABS
На образование ABS в первую очередь влияют температура, утечка аммиака и скорость превращения SO₂/SO₃.
1. Влияние температуры на образование ABS
Образование ABS зависит от температуры. Когда температура дымовых газов опускается ниже начальной температуры образования ABS, начинается его образование. Когда температура опускается на 25 °C ниже этой начальной температуры образования, скорость завершения реакции ABS превышает 95 %.
При типичных рабочих температурах точка росы бисульфата аммония составляет 147 °C, где он накапливается в виде жидкости на поверхностях или рассеивается в виде капель в дымовых газах. Диапазон температур от 140 до 230 °C соответствует области над слоем холодной секции и под промежуточным слоем в традиционных конструкциях воздухоподогревателей. Поскольку бисульфат аммония переходит из жидкого состояния в твердое в этом диапазоне, он демонстрирует исключительно сильные адсорбционные свойства. Это приводит к значительному отложению золы в воздухоподогревателе, что вызывает засоры, увеличение сопротивления и снижение эффективности теплопередачи.
2. Влияние NH₃ и SO₃ на образование ABS
Когда мольное соотношение NH₃/SO₃ превышает 2, преобладает сульфат аммония. В диапазоне рабочих температур воздухонагревателя сульфат аммония существует в виде сухого твердого порошка, который оказывает незначительное влияние на установку. Еще одним важным фактором, влияющим на образование бисульфата аммония, является произведение концентраций NH₃ и SO₃.
Обычно считается, что сульфат аммония не образуется, если утечка аммиака остается ниже 2 ppm. Однако на практике даже при утечке аммиака 1 ppm сульфат аммония может образовываться при достаточно высоких концентрациях SO₃ в дымовых газах. Образование сульфата аммония зависит от произведения концентраций NH₃ и SO₃, как показано на рисунке 4.
Как видно из рисунка 1, температура точки росы бисульфата аммония увеличивается с ростом концентраций NH₃ и SO₃.
III. Методы контроля ABS
Образование ABS в первую очередь контролируется путем регулирования рабочих температур, снижения скорости превращения SO₂/SO₃ и уменьшения скорости утечки аммиака.
1. Рациональный контроль температуры впрыска аммиака
Образование бисульфата аммония является обратимым процессом; повышение температуры до 316 °C приводит к его сублимации. В случае серьезных засорений ABS может потребоваться соответствующее повышение температуры впрыска аммиака или модификация байпаса экономайзера или байпаса дымовых газов.
2. Контроль скорости превращения SO₂/SO₃
Что касается контроля скорости окисления SO₂:
- Для коммерческих катализаторов на основе V₂O₅ содержание ванадия не должно быть чрезмерно высоким; поддержание его на уровне около 1% обычно снижает окисление SO₂.
Уменьшение толщины стенок пор катализатора также может снизить скорость окисления SO₂. Кроме того, увеличение содержания активных каталитических компонентов (таких как WO₃) может ингибировать окисление SO₂.
Высокое соотношение NH₃/NOx подавляет скорость превращения SO₂/SO₃. Первый слой катализатора демонстрирует самое высокое соотношение NH₃/NO_x, при котором скорость превращения SO₂/SO₃ относительно низкая. Второй (и третий) слои имеют более низкие соотношения NH₃/NO_x, что приводит к повышению скорости превращения SO₂/SO₃ по сравнению с первым слоем.
Таким образом, выбор подходящего объема катализатора и контроль скорости превращения SO₂/SO₃ имеют решающее значение для ответвлений труб в системе денитрификации. Катализаторы DeNOx одновременно способствуют реакциям NOx-NH₃ и преобразованию SO₂ в SO₃. Как правило, скорость преобразования SO₂/SO₃ в системах DeNOx не должна превышать 1%. Добавление резервных слоев катализатора увеличивает скорость преобразования SO₂/SO₃ в системе. В трехслойных катализаторных системах поддержание этой скорости преобразования ниже 1% оказывается сложной задачей, что приводит к блокировке воздухонагревателя ниже по потоку.
3. Контроль скорости утечки аммиака
Неполные реакции аммиака во время денитрификации неизбежно приводят к утечке аммиака в процессах денитрификации дымовых газов в SCR. Эта утечка варьируется во времени и в основном зависит от следующих факторов:
(1) Неравномерное распределение впрыскиваемого потока аммиака;
(2) Установленное мольное соотношение NH₃/NO_x;
(3) Температура;
(4) Загрязнение катализатора;
(5) Деактивация катализатора.
Поскольку содержание серы в угле в значительной степени определяет концентрацию SO₃ в дымовых газах, а SO₃ существенно влияет на образование бисульфата аммония, контроль утечки аммиака в SCR варьируется для разных типов угля:
- Для угля с низким содержанием серы (S ≤1%) пределы утечки аммиака могут быть умеренно ослаблены; для угля со средним содержанием серы (1,5%) требуется утечка аммиака ≤3 ppm; для угля с высоким содержанием серы (3%) требуется утечка аммиака ≤2,5 ppm или ниже.
Контроль утечки аммиака можно оптимизировать с помощью программного обеспечения для вычислительной гидродинамики (CFD), которое моделирует расход входящего дымового газа и распределение скорости внутри блока денитрификации SCR. Это позволяет определить тип, количество и расположение лопаток, направляющих поток, для обеспечения равномерной скорости, температуры и концентрации входящего газа. Одновременно моделируйте смешивание аммиака и периодически регулируйте расход на каждом сопле решетки впрыска аммиака (AIG) (обычно ежегодно), чтобы обеспечить равномерное распределение NH₃, что в конечном итоге снижает утечку аммиака.
IV. Выводы
Системы денитрификации SCR обычно увеличивают массу катализатора для поддержания высокой эффективности денитрификации. Катализатор денитрификации одновременно катализирует окисление SO₂ до SO₃. Оптимизация дозировки катализатора имеет решающее значение для достижения эффективных коэффициентов преобразования SO₂/SO₃.
Кроме того, утечка аммиака в системах денитрификации неизбежна. Использование CFD-моделирования для настройки соответствующих направляющих лопаток и периодическая регулировка расхода на каждой ветке трубопровода в системе впрыска аммиака (AIG) позволяют обеспечить более равномерное смешивание NH₃, тем самым снижая утечку аммиака.
