岳樸杰，雷 彧，陳 晟，劉小偉，孟 磊，谷小兵

（1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097；2.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)是當(dāng)前燃煤電廠主流的脫硝手段[1-4]。其中，催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)中的重要組件，其表面活性與使用壽命決定了整個(gè)系統(tǒng)的脫硝性能與經(jīng)濟(jì)成本[1]。當(dāng)前SCR脫硝反應(yīng)器多采用高塵布置，燃煤煙氣中的顆粒物容易導(dǎo)致SCR催化劑的磨損與堵塞，影響其長期穩(wěn)定運(yùn)行，其中大顆?；沂窃斐蛇@種現(xiàn)象的主要原因之一[3]。大顆?；业牧皆诤撩琢考?，此類顆粒除了容易造成催化劑通道的堵塞外，還會切削催化劑床層引起磨損[5-7]，導(dǎo)致催化劑的脫硝性能及其使用壽命大幅度降低，對整個(gè)SCR系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)造成負(fù)面影響，嚴(yán)重的堵塞甚至?xí)绊懻麄€(gè)發(fā)電機(jī)組的正常工作。因此，有必要在大顆?；疫M(jìn)入催化劑反應(yīng)器前對其進(jìn)行攔截。

目前針對大顆?；乙鸬亩氯麊栴}采用的防治措施主要有流場優(yōu)化和加裝大顆粒灰攔截網(wǎng)2類[8-9]。流場優(yōu)化通過增設(shè)擋板以及省煤器灰斗擴(kuò)容等方式優(yōu)化流場，利用大顆?；易陨響T性將其從煙氣中分離出來[10-12]。有學(xué)者通過數(shù)值模擬的方式證明了通過合理布置導(dǎo)流板能夠有效降低催化劑的磨損問題[13-14]。張千等[15]針對省煤器灰斗結(jié)構(gòu)對灰顆粒捕集效率的影響進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)該方案能以較小的壓降阻力實(shí)現(xiàn)對灰顆粒的有效攔截。然而，我國電廠空間通常不支持較大規(guī)模的灰斗擴(kuò)容改造，且該手段對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，改造成本也高，不具備在國內(nèi)推廣的普適性。在SCR反應(yīng)器前側(cè)煙道安裝金屬攔截網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)對大顆?；业牟都痆16-19]。相比流場優(yōu)化，該方法的優(yōu)勢在于成本低、攔截效率高且適用于大多數(shù)電廠，具有更廣泛的應(yīng)用前景[20-22]。其中，攔截效率和壓降是大顆?；覕r截網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中最為重要的性能指標(biāo)，兩者受攔截裝置開孔型式、安裝位置、安裝角度以及煙氣流速等因素的影響[23]。當(dāng)前針對大顆?；覕r截裝置效率與壓降的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏，對各參數(shù)的影響規(guī)律與機(jī)理認(rèn)識尚不明晰。

本文搭建了一套SCR脫硝裝置冷態(tài)物理模型，并在其省煤器出口處布置大顆?；覕r截網(wǎng)，探究灰斗結(jié)構(gòu)、攔截網(wǎng)安裝位置（角度）、網(wǎng)孔型式、顆粒粒徑以及煙氣流速對于攔截網(wǎng)壓降及攔截效率的影響規(guī)律，為實(shí)際燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)大顆?；覕r截裝置的設(shè)計(jì)和安裝提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺

SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)模型試驗(yàn)臺如圖1所示。SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)試驗(yàn)平臺主要包括大顆?；医o料器、布灰器、SCR反應(yīng)器物理模型、大顆?；覕r截裝置、清灰系統(tǒng)、尾氣處理裝置、引風(fēng)機(jī)以及相應(yīng)的速度和壓降測量裝置等。該冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒄諊鴥?nèi)某600 MW燃煤電站設(shè)計(jì)，按照1:20的比例進(jìn)行制作。由于攔截網(wǎng)安裝位置位于SCR反應(yīng)器前的煙道內(nèi)，SCR反應(yīng)器對前側(cè)煙道的流場以及顆粒攔截效率幾乎沒有影響，故模型將SCR反應(yīng)器部分用豎直煙道代替。整個(gè)裝置的主體采用有機(jī)玻璃進(jìn)行分段加工組裝而成，其中省煤器灰斗、脫硝灰斗均可拆卸，以便于收集樣品及清掃。大顆?；覕r截網(wǎng)則由不銹鋼金屬板通過激光切割制成。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)臺Fig.1 The experimental platform about cold state model of SCR denitrification system

1.2 大顆?；覙悠?/h3>

大顆?；沂侵溉济哄仩t飛灰中毫米以上級的顆粒，俗稱“爆米花灰”[24]。其形成的原因主要是細(xì)小飛灰在換熱面（例如鍋爐水冷壁）上沉積、燒結(jié)形成的結(jié)焦在外力作用下發(fā)生了破碎[6]，并被煙氣攜帶進(jìn)入煙道。所以，由此產(chǎn)生的大顆粒灰具有形狀不規(guī)則且疏松多孔的物理特性[24]。Cherkaduvasala等人[11]通過試驗(yàn)測得大顆粒灰的平均質(zhì)量為0.223 g，測得的平均表觀密度為534 kg/m3，平均實(shí)際密度為2 022 kg/m3。

實(shí)驗(yàn)中大顆?；抑饕苤亓εc曳力作用，根據(jù)相似原理，其固體顆粒相的弗勞德數(shù)Fr及斯托克斯數(shù)St應(yīng)與實(shí)際高溫?zé)煔庵械拇箢w?；蚁嘟?。參考大顆?；业男纬稍蚝臀锢硖匦?，實(shí)驗(yàn)采用松木顆粒（密度約為400～700 kg/m3）等效模擬大顆粒灰。實(shí)驗(yàn)前將松木顆粒破碎，篩分出2～5 mm和5～10 mm 2個(gè)粒徑段的顆粒（圖2）。假設(shè)冷態(tài)實(shí)驗(yàn)下的松木顆粒與實(shí)際高溫?zé)煔庵械拇箢w?；叶叩腟t數(shù)相等。取20 ℃空氣動(dòng)力黏度為1.79×10-5Pa·s，660 K高溫?zé)煔鈩?dòng)力黏度約為3.25×10-5Pa·s，根據(jù)St定義式可計(jì)算得出高溫?zé)煔庵械牡刃Ч腆w顆粒密度約為1.82倍松木顆粒密度。這證明使用松木顆粒所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以指導(dǎo)密度720～1 270 kg/m3的大顆?；业倪\(yùn)動(dòng)和攔截規(guī)律。

圖2 松木顆粒實(shí)驗(yàn)樣品Fig.2 Pine particles used in experiments

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

1）煙氣流速 為了模擬鍋爐負(fù)荷的影響，結(jié)合實(shí)際燃煤電廠煙道的流速范圍，選擇了水平煙道位置處11.5、14.0、17.0 m/s 3個(gè)流速條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，測量不同流速下未安裝攔截網(wǎng)時(shí)整個(gè)裝置的壓降和灰斗除灰效率，接著測量加裝攔截裝置后二者的變化情況，獲得攔截網(wǎng)對于大顆?；覕r截效率以及壓降的影響。

2）攔截網(wǎng)開孔型式 為了分析攔截網(wǎng)開孔形狀與開孔率的影響，選取正方形、正六邊形和不同長寬比的長條形攔截網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。攔截網(wǎng)開孔型式如圖3所示。其中，正方形與正六邊形開孔的內(nèi)切圓半徑均為5 mm，長條形的孔型分別為5 mm×10 mm與5 mm×20 mm。攔截網(wǎng)能通過的最大顆粒直徑均為5 mm，將該尺寸定義為攔截網(wǎng)臨界攔截直徑。實(shí)際燃煤電廠加裝攔截網(wǎng)時(shí)，可通過測量大顆粒灰粒徑分布，選取合適的臨界攔截直徑。

圖3 攔截網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Pore structures of the larger particles ash interceptor

3）攔截網(wǎng)安裝角度及高度 為了驗(yàn)證攔截網(wǎng)安裝角度及高度的影響，將攔截網(wǎng)的布置角度θ分別設(shè)置為60°、75°、90°（圖4a)），攔截網(wǎng)的高度設(shè)置為10、15、20 cm分別對應(yīng)水平煙道高度的50%、75%、100%（圖4b)）。

圖4 攔截網(wǎng)安裝方案示意Fig.4 Different installation modes of the interceptor

4）灰斗煙道折角結(jié)構(gòu) 已有研究發(fā)現(xiàn)省煤器灰斗上方煙道折角的長度會顯著影響大顆粒灰運(yùn)動(dòng)軌跡以及落入灰斗的概率[15]。為此，實(shí)驗(yàn)采用2種不同煙道折角結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，結(jié)構(gòu)2是在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上，對折角進(jìn)行了延長，改變了煙氣在灰斗中的流動(dòng)方向，使得大顆粒灰更多地與左側(cè)壁面發(fā)生碰撞落入灰斗。

圖5 煙道折角結(jié)構(gòu)示意Fig.5 The folding angle structures above the hopper

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

首先按照設(shè)計(jì)工況選取所用的攔截網(wǎng)并調(diào)整其安裝角度，確保安裝穩(wěn)定后開啟引風(fēng)機(jī)，并通過變頻器逐步增大風(fēng)機(jī)的流量，使水平煙道流速達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值。待風(fēng)速穩(wěn)定后，通過測壓孔測量各段煙道的壓降情況。隨后以0.5 kg/min的流量向布灰器中添加大顆粒灰樣品，單次實(shí)驗(yàn)加入樣品質(zhì)量為1 kg。觀察大顆粒灰的攔截與逃逸情況，待大顆?；曳植挤€(wěn)定后，采用電子天平稱量省煤器灰斗、脫硝灰斗、大顆?；覕r截網(wǎng)、SCR反應(yīng)器細(xì)篩網(wǎng)上的沉積的顆粒質(zhì)量，獲得大顆粒灰在煙道各位置處灰沉積分布情況，并計(jì)算出攔截裝置對大顆?；业臄r截效率。通過對比加裝攔截網(wǎng)前后各測孔的壓降，獲得安裝攔截網(wǎng)導(dǎo)致的壓降增量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 攔截網(wǎng)開孔形狀的影響

將攔截網(wǎng)安裝在省煤器灰斗出口與煙道壁面呈90°處，安裝高度覆蓋整個(gè)煙道截面，測量不同開孔形狀攔截網(wǎng)對大顆?；业臄r截效率和壓降阻力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 攔截網(wǎng)開孔形狀對2～5 mm大顆?；覕r截效率和壓降的影響Fig.6 Influence of pore structure on efficiency and pressure drop of the interceptor (2～5 mm large particle ash)

由圖6a)可見，4種開孔形狀的攔截效率接近。其中正方形和正六邊形攔截網(wǎng)的攔截效果略優(yōu)于長條形，兩者壓降也略大于長條形；隨著顆粒釋放量的增加，二者相較于長條形網(wǎng)孔更容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。對于粒徑在5～10 mm的大顆?；遥捎陬w粒尺寸大于臨界攔截直徑并且攔截網(wǎng)覆蓋整個(gè)灰斗出口截面，4種開孔形狀攔截網(wǎng)均將該粒徑范圍的大顆粒灰完全攔截下來。

由圖6b)可見：流速相同時(shí)，長條形攔截網(wǎng)所造成的壓降增量明顯小于正方形與六邊形攔截網(wǎng)，且隨著長條形攔截網(wǎng)長寬比（開孔率）增大，壓降增量進(jìn)一步減??；流速較低時(shí)，不同開孔形狀之間壓降差異較小，但隨著流速增大到14.0 m/s以上時(shí)，不同開孔形狀之間的壓降差最大達(dá)到了100 Pa以上。因長條形攔截網(wǎng)開孔率高，故具有更小的壓降阻力，在流速大于14.0 m/s的煙道區(qū)域，選擇開孔率更高的攔截網(wǎng)開孔形狀是非常有必要的。

2.2 攔截網(wǎng)安裝角度的影響

在攔截網(wǎng)高度為10 cm，煙氣流速分別為11.5、14.0、17.0 m/s的條件下，攔截網(wǎng)角度變化對不同粒徑范圍大顆粒灰的攔截效率和壓降的影響規(guī)律如圖7所示。從圖7a)可以看出，在攔截網(wǎng)高度為10 cm時(shí)，隨著攔截網(wǎng)安裝角度增大，攔截網(wǎng)對粒徑2～5 mm與5～10 mm的大顆?；业臄r截效率均有一定程度的提升。但是由于該條件下攔截網(wǎng)在省煤器灰斗出口處煙道的覆蓋面積較小，角度變化對攔截效率的影響并不大。5～10 mm的大顆?；彝ㄟ^角度變化，攔截效率最高提升約9%；2～5 mm的大顆?；覕r截效率提升僅約為5%?？梢?，攔截網(wǎng)安裝角度變化對于粒徑5～10 mm的大顆粒灰攔截效率提升更明顯。這個(gè)規(guī)律在攔截網(wǎng)高為15、20 cm的工況下依然成立，攔截網(wǎng)高度越高，角度變化對攔截效率的提升越明顯。當(dāng)攔截網(wǎng)高度為10 cm，安裝角度從75°增大到90°時(shí)，5～10 mm大顆粒灰的攔截效率提升約3%；而當(dāng)高度為20 cm時(shí)，安裝角度從75°增大到90°時(shí)，5～10 mm大顆?；业臄r截網(wǎng)效率提升接近10%。

圖7 攔截網(wǎng)安裝角度的影響Fig.7 Influence of installation angle of the interceptor on efficiency and pressure drop

從圖7d)中可以看出，隨著安裝角度的增大，攔截網(wǎng)所造成的壓降增也逐漸增大。這是由于安裝角度增大，攔截網(wǎng)迎風(fēng)面積增加，導(dǎo)致其對流場的擾動(dòng)逐漸增大。當(dāng)攔截網(wǎng)安裝角度大于75°時(shí)，攔截效率提升不再明顯，但壓降仍隨角度增加而急劇增大。因此，攔截網(wǎng)安裝角度在75°～85°效果較好。

2.3 攔截網(wǎng)高度的影響

攔截網(wǎng)高度對攔截效率及壓降的影響如圖8所示。由圖8a)可見：在煙氣流速為14.0 m/s的條件下，攔截網(wǎng)安裝角度為90°時(shí)，隨著攔截網(wǎng)高度的增大，2種粒徑范圍大顆粒灰的攔截效率均有所提高；在攔截網(wǎng)安裝角度為75°時(shí)，攔截網(wǎng)高度從10 cm增至15 cm時(shí)，攔截效率略有增加，但當(dāng)攔截網(wǎng)高度進(jìn)一步增至20 cm時(shí)，效率開始迅速降低；在攔截網(wǎng)安裝角度為60°時(shí)，攔截效率與安裝高度呈負(fù)相關(guān)。攔截網(wǎng)效率隨高度下降的原因是當(dāng)角度布置小于75°時(shí)，攔截網(wǎng)高度過大容易導(dǎo)致部分大顆粒灰碰撞在攔截網(wǎng)的背風(fēng)面，彈入水平煙道而逃逸，從而使得攔截效率下降。

圖8 攔截網(wǎng)高度對攔截效率及壓降的影響Fig.8 Effect of interceptor height on efficiency and pressure drop

由圖8b)可見，攔截網(wǎng)安裝角度為90°時(shí)，攔截網(wǎng)所造成的壓降增量隨攔截網(wǎng)高度的增大而增大，壓降增量隨高度的增長呈準(zhǔn)線性增長。這是由于在安裝角度一定的情況下，攔截網(wǎng)的迎風(fēng)面積隨著高度呈線性增長。綜上，攔截網(wǎng)安裝高度的選取需充分考慮安裝角度的影響以及攔截網(wǎng)引起的壓降增量。

2.4 煙氣流速的影響

煙氣流速對于大顆粒灰攔截效率的影響如圖9所示。由圖9可見，所有的工況下煙氣流速的增大均會使得攔截效率有一定程度的下降。對于粒徑在2～5 mm的大顆?；?，當(dāng)煙氣流速由11.5 m/s增大到17.0 m/s時(shí)，其攔截效率下降約10 %。此外，粒徑2～5 mm的大顆粒灰的攔截效率下降更為明顯。這是由于粒徑2～5 mm的大顆?；译S流性更好，更容易受流速變化影響，并且顆粒動(dòng)能隨流速增加，與攔截網(wǎng)碰撞更為劇烈，更容易從攔截網(wǎng)的開孔處穿過。流速增加增大了顆粒所受的曳力和顆粒動(dòng)能，從而增加了顆?；覐臄r截網(wǎng)未遮擋區(qū)域以及網(wǎng)孔穿過的概率，降低了攔截效率。

圖9 煙氣流速對攔截效率的影響Fig.9 Influence of flue gas velocity on interception efficiency

2.5 灰斗煙道折角結(jié)構(gòu)的影響

在流速為14.0 m/s、攔截網(wǎng)高度為15 cm時(shí)，2種灰斗煙道折角結(jié)構(gòu)（圖5）下，大顆?；覕r截效率隨安裝角度的變化規(guī)律如圖10所示。由圖10可見，大顆?；覕r截效率均隨安裝角度的增大而增大，證明即便煙道折角結(jié)構(gòu)有所改變，大顆粒灰攔截效率隨安裝角度的變化規(guī)律保持不變。由于結(jié)構(gòu)2煙道折角的延長，攔截網(wǎng)安裝角度小于75°時(shí)，可避免出現(xiàn)大顆粒灰撞擊攔截網(wǎng)背面后反彈進(jìn)入水平煙道的情況，所以其攔截效率并未出現(xiàn)明顯下降。綜上所述，結(jié)構(gòu)2的整體攔截效果比結(jié)構(gòu)1更好，實(shí)現(xiàn)其壓降小于150 Pa，且對5～10 mm的大顆?；覕r截效率達(dá)到9.5以上。

圖10 2種煙道折角結(jié)構(gòu)下大顆?；覕r截效率Fig.10 The interception efficiency of large particle ash for two folding angle structures

3 結(jié) 論

本文采用冷態(tài)物理模型實(shí)驗(yàn)臺，測量在SCR反應(yīng)器前加裝大顆?；覕r截裝置后系統(tǒng)的壓降及大顆?；覕r截效率的變化，探究了灰斗結(jié)構(gòu)、攔截網(wǎng)安裝方式、網(wǎng)孔型式、顆粒粒徑以及煙氣流速對于攔截網(wǎng)壓降及攔截效率的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1）加裝攔截網(wǎng)裝置能實(shí)現(xiàn)大顆?；业母咝r截。在相同臨界攔截尺寸下，長條形攔截網(wǎng)的壓降阻力明顯小于正方形與正六邊形攔截網(wǎng)。正方形與正六邊形攔截網(wǎng)對于粒徑在2～5 mm的大顆?；覕r截效果更優(yōu)，但長時(shí)間運(yùn)行也更容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2）攔截網(wǎng)安裝角度是影響其壓降與攔截效率的關(guān)鍵參數(shù)。攔截效率會隨著攔截網(wǎng)安裝角度的增大而增大，且攔截網(wǎng)高度越高這一提升效果越明顯（最大可達(dá)10%）。安裝角度的增大也會造成壓降的增大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，攔截網(wǎng)安裝角度在75°～85°綜合效果較好。

3）攔截效率隨攔截網(wǎng)高度的變化關(guān)系取決于其安裝角度的大小。當(dāng)安裝角度在75°～90°時(shí)，二者為正相關(guān)；但當(dāng)安裝角度小于75°時(shí)，攔截網(wǎng)高度的增大反而會使得攔截效率有所降低。同時(shí)攔截網(wǎng)高度的增大亦會導(dǎo)致攔截裝置壓降阻力的增大。

4）攔截效率與煙氣流速呈負(fù)相關(guān)，壓降與流速呈正相關(guān)。延長省煤器灰斗上方煙道折角能在一定程度上提升灰斗對大顆?；业臄r截效率。通過合理選擇攔截網(wǎng)的安裝方式可以實(shí)現(xiàn)其壓降小于150 Pa，且對5～10 mm的大顆粒灰攔截效率達(dá)到9.5以上。