王遠(yuǎn)鑫，翟建軍，陳鴻偉，羅　敏，趙　超

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003;2. 中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司，寧夏銀川750000)

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國(guó)內(nèi)某電廠SCR催化劑格柵堵塞研究

王遠(yuǎn)鑫1，翟建軍2，陳鴻偉1，羅敏1，趙超1

(1. 華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定071003;2. 中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司，寧夏銀川750000)

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠SCR裝置催化劑上層的積灰狀況調(diào)研，得出了A側(cè)催化劑層堆積的大顆粒灰與細(xì)灰由爐前至爐后方向，細(xì)灰、大顆?；叶逊e量不斷減少，近壁面處大顆?；逸^多等特點(diǎn)；利用電子秤稱量A側(cè)兩層催化劑堆積細(xì)灰總質(zhì)量，通過隨機(jī)取樣的方式，選取占總質(zhì)量10%的細(xì)灰，以安裝6目篩網(wǎng)的振動(dòng)篩分機(jī)對(duì)其篩分，分別獲取堆積在A側(cè)上下兩層催化劑上層大顆?；屹|(zhì)量。通過分析SCR裝置的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，得出系統(tǒng)的壓降與負(fù)荷的變化一致的規(guī)律。選取3個(gè)負(fù)荷下不同運(yùn)行時(shí)間系統(tǒng)壓降對(duì)比，分析認(rèn)為積灰對(duì)SCR裝置壓降的影響需要較長(zhǎng)的時(shí)間才可體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：SCR；催化劑層；積灰；大顆粒灰

0引言

選擇性催化還原技術(shù)(在金屬催化劑作用下，噴入的氨把煙氣中的NOx還原成N2和H2O[1])作為我國(guó)絕大部分燃煤機(jī)組采用的控制NOx排放手段，在實(shí)際的運(yùn)行中，存在著催化劑層中毒、磨損、堵塞等諸多問題[2]。

因我國(guó)燃煤電廠的SCR裝置為使進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度達(dá)到300～500 ℃[3]均采用高灰布置，致使通過催化劑層的煙氣含有大量的飛灰，易于引起催化劑層的堵塞、磨損等問題。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤機(jī)組每工作1 000 h脫硝效率減小0.7%[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)飛灰對(duì)催化劑的影響做了一系列研究，文獻(xiàn)[5]研究表明高鈣飛灰中的活性CaO與SO3的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物及粘性細(xì)灰在催化劑表面的沉積是影響催化劑活性的主要因素，文獻(xiàn)[6]通過對(duì)沉積在催化劑表面成分分析得出沉積在催化劑表面的飛灰大多粒徑小于5 μm。

堆積在催化劑表面的飛灰中，往往存在粒徑較大的“爆米花灰”。其往往是由燒結(jié)煤粉顆粒在低表觀密度下聚集而成[7]，這些顆粒相較細(xì)灰更易引起格柵、催化劑層堵塞，降低SCR裝置脫硝效率。

針對(duì)上述狀況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過研究提出了一系列防止催化劑表面大顆?；叶逊e的措施。文獻(xiàn)[8]利用數(shù)值模擬軟件，擴(kuò)大省煤器出口灰斗，利用改造后的灰斗側(cè)壁增強(qiáng)了灰斗對(duì)大顆?；业牟都芰?；通過在煙道內(nèi)布置固定孔徑的金屬網(wǎng)面，當(dāng)大顆?；伊酱笥诮饘倬W(wǎng)面孔徑時(shí)，即會(huì)被金屬網(wǎng)面阻礙從而實(shí)現(xiàn)與煙氣分離。但攔截網(wǎng)攔截下的大顆粒灰會(huì)堵塞煙氣通道，不通過清理手段易發(fā)生大面積阻塞[9]，造成攔截網(wǎng)前后壓降上升，增加了引風(fēng)機(jī)負(fù)擔(dān)。

目前，對(duì)于實(shí)際燃煤機(jī)組中催化劑上層的積灰與各粒徑積灰的比例、催化劑上層積灰對(duì)SCR裝置的影響尚無充分的研究，而其對(duì)于防止飛灰堵塞、磨損催化劑層有著重要的意義。本文中，對(duì)國(guó)內(nèi)某電廠的600 MW機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，通過SCR的運(yùn)行數(shù)據(jù)與該機(jī)組停爐檢修后對(duì)其催化劑上層積灰查看分布、稱重、篩分等手段，對(duì)催化劑上層積灰做一個(gè)完整的定量研究。

1SCR裝置及堵塞狀況概述

該脫硝系統(tǒng)裝置示意圖如圖1所示。

圖1　催化劑層上層格柵堵塞圖

該脫硝裝置分A，B側(cè)對(duì)稱布置且煙氣進(jìn)入催化劑前，需進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向。根據(jù)其設(shè)計(jì)說明書知該裝置使用國(guó)產(chǎn)蜂窩式催化劑模塊，催化劑層按2層運(yùn)行，1層備用設(shè)計(jì)，采用聲波吹灰的方式，在設(shè)計(jì)煤種、鍋爐最大工況(BMCR)、處理100%煙氣量條件下脫硝效率不小于82%。其BMCR工況下主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括進(jìn)口煙氣量：1 822 315 Nm3/h(干，標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際O2)、進(jìn)口煙氣NOx含量： ≤550 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2)、進(jìn)口煙氣粉塵含量：≤50 g/Nm3、進(jìn)口煙氣溫度：最低允許噴氨溫度-420 ℃；出口煙氣NOx含量： ≤100mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2)、脫硝效率：≥82%、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率：≤1%。

實(shí)際調(diào)研中，該裝置催化劑上層存在著嚴(yán)重的飛灰、大顆?；叶氯麪顩r，其現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

圖2　催化劑層上層格柵堵塞圖

由圖2中可明顯看出呈“小山”狀的細(xì)灰堆積在催化劑上層格柵上，且細(xì)灰堆的分布不均，大小不一。

同時(shí)，在催化劑上層的格柵上，撿拾到大量粒徑大于6 mm(格柵孔徑6 mm)大顆粒灰，其卡在格柵開孔處造成了局部堵塞并被細(xì)灰覆蓋，如圖3所示。

圖3　催化劑層上層格柵大顆粒堵塞圖

對(duì)A側(cè)上下催化劑上層格柵的細(xì)灰、大顆?；叶氯麪顩r進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)兩層催化劑層細(xì)灰，大顆?；揖哂兄愃频姆植继攸c(diǎn)，對(duì)格柵按塊進(jìn)行分區(qū)(7×12)并繪制出其分布狀況如圖4所示。

圖4　催化劑層上層格柵積灰分布

其中，圖中黑色區(qū)域表示大顆?；逸^多模塊，每塊格柵約收集200顆以上的大顆?；遥瑘D中白線右方的黑色區(qū)域?yàn)榧?xì)灰堆積區(qū)域，細(xì)灰堆中存在著大量的大顆?；?。隨爐前向爐后方向，各防護(hù)網(wǎng)模塊大顆?；覕?shù)量不斷減少，貼近兩側(cè)壁面處大顆粒灰數(shù)量較多，每個(gè)模塊大顆粒數(shù)量在50～200之間。對(duì)于存在細(xì)灰堆區(qū)域，在對(duì)格柵上方細(xì)灰堆清理后發(fā)現(xiàn)，細(xì)灰堆積區(qū)域下方即格柵至催化劑入口區(qū)域均被細(xì)灰堵塞，依靠工具向下挖掘，可發(fā)現(xiàn)部分催化劑通道被細(xì)灰堵塞，其余通道由于細(xì)灰于催化劑入口處“搭橋”，雖催化劑通道流通但催化劑入口上方區(qū)域堵塞。

2現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)及分析

2.1機(jī)組運(yùn)行工況與催化劑上方積灰關(guān)系

圖5記錄了該SCR裝置自2013年11月10日至2015年9月30日的月平均運(yùn)行記錄，其中，2014年5月19日至2014年10月16日對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)上層催化劑進(jìn)行清洗，2015年7月19日至2015年7月30日該爐進(jìn)行定期檢修，此期間內(nèi)暫停SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行。圖6、7則分別為該SCR系統(tǒng)在2014年11月剛清洗后的運(yùn)行記錄和2015年6月停爐前一個(gè)月的運(yùn)行記錄。

從圖5～7中可以看出，SCR系統(tǒng)進(jìn)出口平均差壓的大小變化與脫硝投入時(shí)的平均負(fù)荷有關(guān)，且二者的變化趨勢(shì)總體保持一致。

圖5　月平均運(yùn)行記錄

圖6　2014年11月運(yùn)行記錄

圖7　2014年6月運(yùn)行記錄

根據(jù)上述結(jié)論，選取該機(jī)組2013年11月10日至2015年9月30日的運(yùn)行數(shù)據(jù)中，運(yùn)行負(fù)荷在345～370 MW，460～480 MW，525～560 MW的運(yùn)行數(shù)據(jù)，排除運(yùn)行負(fù)荷的影響，進(jìn)一步研究其他對(duì)系統(tǒng)造成壓降的影響因素。其差壓隨運(yùn)行時(shí)間的變化規(guī)律如圖8～10所示。

圖8　SCR平均差壓(345～370 MW)

圖9　SCR平均差壓(460～480 MW)

圖10　SCR平均差壓(525～560 MW)

對(duì)比上述曲線圖中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組所帶負(fù)荷的不同，系統(tǒng)的平均差壓整體上隨時(shí)間的波動(dòng)變化幅度也不同，負(fù)荷越高使得系統(tǒng)的平均差壓波動(dòng)變化也相對(duì)較大。同時(shí)對(duì)比3個(gè)圖中的曲線可以發(fā)現(xiàn)差壓在整體上的變化是較小的。由于系統(tǒng)在2014年5月19日時(shí)暫停運(yùn)行，進(jìn)行催化劑層的清洗更換，從圖9中可以看出，在2014年10月16日系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行后，系統(tǒng)的差壓有明顯的降低，故推斷系統(tǒng)存在積灰堵塞催化劑層的現(xiàn)象，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，積灰一定程度地導(dǎo)致了系統(tǒng)差壓的增大。積灰對(duì)SCR系統(tǒng)的影響需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后方可體現(xiàn)出來，根據(jù)圖9的結(jié)果，預(yù)估SCR系統(tǒng)在450 MW左右的負(fù)荷下，將運(yùn)行至少3個(gè)月的時(shí)間，積灰導(dǎo)致差壓增大的結(jié)果才能顯現(xiàn)出來。

2.2催化劑上層積灰數(shù)據(jù)分析

對(duì)A，B兩側(cè)兩層催化劑上方積灰進(jìn)行清理稱重，統(tǒng)計(jì)其質(zhì)量。對(duì)細(xì)灰進(jìn)行隨機(jī)取樣，取占總質(zhì)量10%的細(xì)灰，對(duì)其中的大顆粒灰(粒徑大于3.35 mm)利用型號(hào)為XF600篩分機(jī)進(jìn)行篩分獲取其在細(xì)灰中所占比例。

稱取SCR上層催化劑A側(cè)細(xì)灰共3 713.76 kg，SCR中層催化劑A側(cè)細(xì)灰共2 675.67 kg，合計(jì)6 389.43kg。隨機(jī)選取占上層催化劑A側(cè)接近10%細(xì)灰376.1 kg，中層催化劑A側(cè)接近10%細(xì)灰268.7 kg進(jìn)行大顆?；液Y分(粒徑大于3.35 mm)，篩分得到上層催化劑A側(cè)大顆?；?1.0 kg，中層催化劑A側(cè)大顆粒灰6.65 kg。由此估算堆積在上層催化劑A側(cè)大顆?；铱傊?08.62 kg，占堆積在上層A側(cè)總灰量的2.9%，堆積在中層催化劑A側(cè)大顆粒灰總重66.22 kg，占中層A側(cè)總灰量的2.5%。

由上述數(shù)據(jù)可知，堆積在催化劑層上方的大顆?；遗c細(xì)灰比例較為穩(wěn)定，且與細(xì)灰相比，總量較少。上層催化劑與下層催化劑相比，堆積灰量更大。這是由于上層催化劑上方煙氣經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)向，較下層催化劑相比，流場(chǎng)分布更為不均勻，存在局部流速較低的區(qū)域，易于飛灰的堆積。圖4中，爐前位置大顆?；壹帮w灰堆積嚴(yán)重，同樣是由于煙氣經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)向后，內(nèi)彎處相較外彎處流速較低，致使大顆粒與飛灰隨煙氣的攜帶性能下降，從而易于堆積在爐前側(cè)位置。

根據(jù)文獻(xiàn)所述，飛灰顆粒的動(dòng)能與其大小成正比關(guān)系[10]，mm級(jí)以上的大顆?；伊鹘?jīng)催化劑層對(duì)催化劑的磨損比粒徑較小的飛灰更加嚴(yán)重。同時(shí)大顆粒灰往往形狀不規(guī)則，較普通球體相比多棱角，致使其對(duì)催化劑層的磨損作用更為嚴(yán)重[11]。故應(yīng)采取相應(yīng)措施，包括改進(jìn)省煤器灰斗形狀及加裝攔截網(wǎng)裝置，捕集煙氣中的大顆?；遥乐蛊溥M(jìn)入催化劑層對(duì)催化劑造成磨損與堵塞。

由實(shí)際的調(diào)研結(jié)果可知，該電廠SCR裝置存在著流場(chǎng)不均而致使細(xì)灰、大顆?；叶逊e在爐前側(cè)催化劑上端格柵，堵塞催化劑通道，致使催化劑局部失效，使流場(chǎng)更加不均勻。針對(duì)上述現(xiàn)象，擬采用在上層催化劑上方90°彎角處，加裝導(dǎo)流擋板，使上層催化劑入口處流場(chǎng)更為均勻，防止催化劑上方細(xì)灰、大顆?；叶逊e的現(xiàn)象發(fā)生。

3結(jié)論

(1)機(jī)組所帶負(fù)荷越大，系統(tǒng)的平均差壓整體上隨時(shí)間的波動(dòng)變化幅度也越大；積灰在一定程度上造成了SCR裝置的壓降，但需較長(zhǎng)的時(shí)間才可表現(xiàn)出來。

(2)因上層催化劑入口處煙氣需經(jīng)歷90°轉(zhuǎn)向，致使催化劑上方流場(chǎng)不均，易于發(fā)生細(xì)灰、大顆?；叶逊e狀況。且內(nèi)彎處由于流速較低，細(xì)灰、大顆?；叶逊e更為嚴(yán)重。

(3)大顆?；艺伎偠逊e灰量比例較少，比例約為2%～3%。在SCR裝置前，攔截、捕集大顆?；?，對(duì)于預(yù)防、減少催化劑的磨損與堵塞有著重要的意義。

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Study on SCR Catalyst Grid Blockage of a Power Plant in China

WANG Yuanxin1，ZHAI Jianjun2，CHEN Hongwei1，LUO Min1，ZHAO Chao1

(1. School of Energy Power and Mechanical Enineering，North China Electric Power University, Baoding 071000，China;2. China Aluminum Ningxia Energy Group Co., Ltd.， Yinchuan 750000，China)

Abstract：Through the investigation of ash deposition of the catalyst layer in the SCR of a power plant in China, drawed the conclusions that from the furnace front to back direction, fine ash, popcorn ash accumulation decreased, near the wall the popcorn ash was more. Weighted the total mass of fine ash in the two layers catalyst of A side by electronic scale and selected the fine ash accounted for 10% of the total mass by random sampling.This fine ash was screened by the vibrating screen machine with 6 mesh, then the mass of popcorn ash in the two layers of the A side were acquired respectively. It was concluded that the pressure drop of the system is consistent with the change of load,by analyzing the historical running record of SCR So, it is concluded that the effect of ash deposition on the pressure drop of SCR need a long time to reflect by considering the comparison of pressure drop between different running time under three load conditions.

Keywords：SCR; catalyst layer; ash deposition;popcorn ash

收稿日期：2016-04-13。

作者簡(jiǎn)介：王遠(yuǎn)鑫(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槊旱那鍧嵢紵?E-mail:597513381@qq.com。

中圖分類號(hào):TM621.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.06.011