華電環(huán)保系統(tǒng)工程有限公司烏魯木齊分公司 張小兵

1 引言

隨著電力市場(chǎng)改革的深入推進(jìn)，燃煤電廠上網(wǎng)電價(jià)競(jìng)爭(zhēng)激烈。某發(fā)電有限公司2×330MW 機(jī)組在配合電網(wǎng)深度調(diào)峰的背景下，通過(guò)摻燒準(zhǔn)東煤實(shí)現(xiàn)發(fā)電成本的降低，提高上網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。但也因?yàn)閰⑴c深度調(diào)峰及摻燒準(zhǔn)東煤，造成SCR區(qū)域催化劑積灰嚴(yán)重，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 積灰形成機(jī)理

2.1 不同工況下煙氣流量均勻性對(duì)積灰的影響

現(xiàn)在公用火電廠承擔(dān)的調(diào)峰任務(wù)日趨加重，日負(fù)荷在40%～100%之間波動(dòng)。而脫硝系統(tǒng)均按全負(fù)荷設(shè)計(jì)，在SCR 設(shè)計(jì)及后續(xù)超低排放改造過(guò)程中，對(duì)SCR 煙氣入口流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和物理模擬，根據(jù)數(shù)模和物模結(jié)果對(duì)入口煙道導(dǎo)流板進(jìn)行設(shè)計(jì)配置。但由于現(xiàn)實(shí)工況變化大，原本適用于滿負(fù)荷工況下的流場(chǎng)在40%負(fù)荷時(shí)，因?yàn)闊煔獬錆M度急劇下降而不再適用，導(dǎo)致SCR表面積灰沉積?，F(xiàn)有的吹灰手段有限，無(wú)法將沉積積灰及時(shí)吹散，導(dǎo)致長(zhǎng)期運(yùn)行后，SCR 部分區(qū)域催化劑因積灰堵塞失去功能，參與反應(yīng)的催化劑減少。而流通區(qū)域催化劑磨損加劇，催化劑壽命顯著降低。

2.2 摻燒準(zhǔn)東煤對(duì)SCR積灰的影響

由于煤炭市場(chǎng)因素，越來(lái)越多的準(zhǔn)東煤在新疆燃煤電廠燃燒。準(zhǔn)東煤在新疆北部電廠占比約70%，準(zhǔn)東煤在南部電廠占比約30%。準(zhǔn)東煤礦的煤炭質(zhì)量具有以下特點(diǎn)。一是整體含水率高，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)煙煤，接近水平褐煤。二是灰中SiO2和Al2O3含量明顯偏低，CaO、MgO 和Na2O 含量明顯偏高。有較高的堿性化合物，導(dǎo)致灰中的SO3含量明顯較高。三是灰中硫、氮含量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)煤。四是準(zhǔn)東煤的著火穩(wěn)定性、燃燒性能和腐蝕性能均強(qiáng)于工程煤。五是由于準(zhǔn)東煤灰的鈣、鈉含量較高，具有污染強(qiáng)的特點(diǎn)，在鍋爐水平煙道、尾煙道受熱面、SCR 催化劑區(qū)等處造成頻繁污染和剝落。

3 現(xiàn)有SCR吹灰器的問(wèn)題

3.1 蒸汽吹灰器在運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題

吹灰系統(tǒng)利用高壓高溫蒸汽流經(jīng)無(wú)級(jí)旋轉(zhuǎn)噴嘴高速噴射，產(chǎn)生較大的沖擊力將灰燼吹到受熱面上，并隨煙氣帶走，達(dá)到用途。

在發(fā)電廠中耙式蒸汽吹灰器是一種通常用于SCR 脫硝的蒸汽鼓風(fēng)機(jī)，吹灰的目的是通過(guò)用高速蒸汽流沖擊反應(yīng)器表面實(shí)現(xiàn)的。但是蒸汽吹灰器的脫硝系統(tǒng)存在很多問(wèn)題，蒸汽吹灰過(guò)程中，煙灰主要靠高速運(yùn)動(dòng)的蒸汽與催化劑表面碰撞產(chǎn)生的沖擊力去除。高速運(yùn)動(dòng)的蒸汽會(huì)使催化劑表面嚴(yán)重松動(dòng)，導(dǎo)致催化劑大量損失，縮短催化劑的使用壽命，最終增加運(yùn)行成本。

蒸汽吹灰一般采用耙式蒸汽吹灰器，蒸汽強(qiáng)度大，對(duì)催化劑表面的浮灰有效，但對(duì)蒸汽品質(zhì)要求較高，需要一定的蒸汽過(guò)飽和度，蒸汽吹灰系統(tǒng)的特性要求如下：蒸汽壓力0.6～1.0MPa,蒸汽至少要比其在相應(yīng)壓力下的飽和溫度高出50～100℃。實(shí)際運(yùn)行中蒸汽吹灰頻次較低，大多采用一班一次的運(yùn)行方式。過(guò)分依賴蒸汽吹灰或提高蒸汽吹灰頻次，會(huì)造成運(yùn)行成本增加[1]。

同時(shí)在SCR 系統(tǒng)中的蜂窩狀催化劑內(nèi)部空隙較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用蒸汽吹灰時(shí)蒸汽不能進(jìn)入催化劑內(nèi)部，存在吹灰死角。隨著脫硝運(yùn)行時(shí)間的增加，催化劑表面出現(xiàn)積灰現(xiàn)象，阻礙NOx、NH3、O2到達(dá)催化劑活性表面發(fā)生作用，導(dǎo)致催化劑鈍化，使得實(shí)際作用的催化劑外表面減少，造成活性降低，催化劑催化效率降低。

3.2 傳統(tǒng)聲波吹灰器在運(yùn)行過(guò)程中的存在的問(wèn)題

目前電廠脫硝系統(tǒng)催化劑吹灰大多采用傳統(tǒng)聲波吹灰器，例如膜片式聲波吹灰器、旋笛式聲波吹灰器等。但由于聲波吹灰器廠家對(duì)積灰特性、聲波頻率選擇、布置方式等認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致吹灰器應(yīng)用效果參差不齊。

法國(guó)的家長(zhǎng)在孩子10歲左右時(shí)，就給他們?cè)O(shè)立一個(gè)個(gè)人的獨(dú)立銀行賬戶，并劃入一筆錢。法國(guó)家長(zhǎng)的目標(biāo)是讓孩子從小就學(xué)會(huì)明智、科學(xué)，而不是機(jī)械、盲目地“理財(cái)”。

聲波吹灰技術(shù)是通過(guò)特定的聲學(xué)發(fā)生器調(diào)制，在反硝化反應(yīng)器區(qū)域運(yùn)行的高壓氣流產(chǎn)生的強(qiáng)大聲波。由于聲波的傳播和空氣分子的高速周期性振蕩，使換熱器表面或顆粒間的塵粒被破壞，阻止了結(jié)合，使表面的塵?？膳c催化劑分離并在懸浮煙霧的情況下吸附。聲學(xué)除灰機(jī)理為“掃除”，鼓風(fēng)機(jī)輸出能量矢量為“聲波”，通過(guò)聲場(chǎng)與沉積在催化劑表面的灰進(jìn)行能量交換，從而達(dá)到除灰的效果。聲波強(qiáng)烈而快速變化的震動(dòng)將污垢的附著狀態(tài)與受熱面上的污垢分離，造成裂紋和污垢破碎現(xiàn)象。在聲波的影響下，污垢從加熱表面被剝離并被帶出煙囪[2]。

聲波吹灰器利用聲波排煙，適用性好。然而，聲學(xué)吹灰器也有一定的局限性。來(lái)自聲源的聲波傳播到煙氣中，必須有足夠的能量才能到達(dá)墻壁。由于煙氣中灰分和氣體顆粒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦力的損失導(dǎo)致聲能的額外耗散，導(dǎo)致能量衰減，需要實(shí)現(xiàn)煙氣中的聲波衰減盡可能小。聲波的頻率越高，衰減越快，聲波的有效距離越低；頻率越低，衰減速度越慢，聲波的有效距離越大。因此，低頻聲波在煙氣中可以傳播很遠(yuǎn)的距離，而高頻聲波在煙氣中衰減很快。但聲波頻率低，單位時(shí)間內(nèi)被聲波拉動(dòng)和壓縮灰粒的次數(shù)少，分散粉碎效果弱，不能有足夠的力量去除頑固的灰燼。

4 內(nèi)置抵近式聲波吹灰器技術(shù)分析

內(nèi)置抵近式吹灰法是將聲波吹灰器裝置布置在煙道內(nèi)接近積灰處，縮短了聲波與積灰的直線距離，聲波覆蓋比較均勻，達(dá)到完全覆蓋煙道內(nèi)的聲場(chǎng)。聲能場(chǎng)作用于煙囪內(nèi)換熱管的各個(gè)角落，使清灰更徹底，避免了催化劑的直接損壞。

內(nèi)置抵近式聲波發(fā)生器充分考慮到鍋爐煙囪內(nèi)部的特殊環(huán)境，在材料和結(jié)構(gòu)上采用了特殊的設(shè)計(jì)，具有耐高溫和耐磨性。煙道外只有壓縮空氣管道和電磁閥，因此該設(shè)計(jì)空間適應(yīng)性非常好，它可以從煙囪墻上的任何地方插入。

4.1 內(nèi)置抵近式吹灰器特點(diǎn)

4.1.1 安全可靠，不損壞催化劑

嵌入式高強(qiáng)度聲波吹灰技術(shù)利用聲波原理，依靠高強(qiáng)度聲波迫使煙塵進(jìn)入震動(dòng)稀釋的狀態(tài)清理灰燼。工作介質(zhì)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能為間接吹灰方式，不吹除催化劑，保證催化劑的使用壽命，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。

4.1.2 爐膛設(shè)計(jì)，除塵徹底

4.1.3 多種模式

內(nèi)置聲學(xué)吹灰技術(shù)，聲強(qiáng)高，可選蒸汽工質(zhì)為油煙或壓縮空氣。使用蒸汽時(shí)，可從鍋爐底部進(jìn)風(fēng)口或原蒸汽鼓風(fēng)機(jī)的蒸汽源取蒸汽，為鍋爐發(fā)電提供優(yōu)質(zhì)蒸汽，與傳統(tǒng)吹灰相比節(jié)省蒸汽90%以上。

4.1.4 操作維護(hù)簡(jiǎn)單

內(nèi)置抵近式吹灰器與蒸汽吹灰、聲波吹灰相比，整機(jī)無(wú)須機(jī)械，即可大大降低運(yùn)行維護(hù)成本。

4.1.5 清潔生產(chǎn)，節(jié)能降耗

鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，粉塵不會(huì)從吹灰孔噴出污染環(huán)境，空氣不會(huì)泄漏到鍋爐內(nèi)影響效率。由于吹灰耗氣量小，能夠滿足實(shí)際吹灰頻率的要求，能夠有效減少排煙熱損失，節(jié)能降耗效果顯著。

5 應(yīng)用案例

本文以某發(fā)電有限公司2×330MW 機(jī)組為例，該公司為1180t/h 亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐電站鍋爐，原設(shè)計(jì)堿溝煙煤，實(shí)際燃用準(zhǔn)東煤。準(zhǔn)東煤高堿、高鐵，屬嚴(yán)重結(jié)焦煤，防治結(jié)焦成為鍋爐運(yùn)行的核心問(wèn)題。

在摻燒準(zhǔn)東煤運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組要參與電網(wǎng)深度調(diào)峰。脫硝催化劑在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生玷污和積灰，阻礙NOx、NH3、O2到達(dá)催化劑活性表面發(fā)生作用，影響供熱和供電安全。

5.1 技改方案

在脫硝B側(cè)反應(yīng)器31m及34m層爐后側(cè)安裝內(nèi)置抵近式吹灰器，每層安裝三組吹灰器壓縮空氣母管，在反應(yīng)器壁上開DN80 的圓孔，并將吹灰器壓縮空氣母管與反應(yīng)器壁板接觸面滿焊。根據(jù)聲波傳播的特性以及內(nèi)置抵進(jìn)式吹灰器的吹灰原理，并考慮不影響煙氣的流向以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，每組吹灰器壓縮空氣母管上安裝7 只內(nèi)置抵近式吹灰器。在反應(yīng)器內(nèi)鋼梁上吊裝壓縮空氣聯(lián)箱母管爐內(nèi)吊架，標(biāo)高等同于聲波吹灰墻箱內(nèi)孔標(biāo)高。壓縮空氣聯(lián)箱母管爐外法蘭依次安裝電磁閥、手動(dòng)隔離門、金屬軟連接，金屬軟連接壓縮空氣管。

抵近式吹灰器布置示意圖如圖1所示。

圖1 抵近式吹灰器布置示意圖

此布置方式可以有效彌補(bǔ)原脫硝區(qū)域膜片式聲波吹灰器聲強(qiáng)衰減導(dǎo)致反應(yīng)器爐后側(cè)大量積灰的問(wèn)題，且吹灰器布置可以避免吹灰器吹掃范圍不能相互覆蓋存在吹掃死角。

此次技改后的脫硝吹灰系統(tǒng)采用自動(dòng)控制模式，無(wú)須人工干預(yù)。單臺(tái)機(jī)組共42臺(tái)聲波吹灰器，每次運(yùn)行一組，每次運(yùn)行20s。根據(jù)脫硝系統(tǒng)在線監(jiān)控出現(xiàn)的各種工況，可以實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)置的循環(huán)時(shí)間和運(yùn)行周期，始終保持清灰效果，控制系統(tǒng)壓差在合理范圍內(nèi)。

抵近式聲波吹灰器噴嘴布置示意圖如圖2所示。

圖2 抵近式聲波吹灰器噴嘴布置示意圖

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

2×330 MW 機(jī)組共裝設(shè)催化劑1000m3，煙氣流速6.11m/s。若催化劑因積灰堵塞30%，則會(huì)造成流通區(qū)域催化劑煙氣流速增加30%。造成催化劑磨損與煙氣流速的平方成正比且使用壽命急劇下降、堵塞區(qū)域催化劑失去作用、氨流場(chǎng)分布不均等損失。

失效催化劑：1000×0.3×1.2/4=90 萬(wàn)元。磨損催化劑：1000×0.7×1.2×0.4/4=840萬(wàn)元。每年減少因催化劑失效、磨損產(chǎn)生的費(fèi)用為174萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著電力改革的深入、電力市場(chǎng)交易日趨成熟，發(fā)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，節(jié)能減排、降本增效是發(fā)電企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，深度調(diào)峰下的燃用準(zhǔn)東煤火電廠SCR脫硝系統(tǒng)積灰問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。利用內(nèi)置抵近式吹灰器彌補(bǔ)膜片式聲波吹灰器的不足，保證催化劑表面潔凈增加催化劑與NOx、MH3、O2的接觸面積，提高催化劑活性，保證脫硝效率，噴氨量減小，保證煙氣通道順暢，降低引風(fēng)機(jī)電耗。提高催化劑反應(yīng)活性，保證機(jī)組長(zhǎng)期安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。