燃煤电厂SCR烟气脱硝设备大颗粒灰拦截技术的应用研究

单文盼，刘安阳，李丁辉，张 伟，白玉峰，孙伟鹏，胡木林，姚友工

(1.龙净科杰环保技术(上海)有限公司，上海 201106 ；2.华能海门电厂，广东 汕头 515000)

0 引言

选择性催化还原脱硝技术(Selective Catalytic Reduction，SCR)以成熟的工艺和较高的脱硝效率在燃煤电站广泛应用[1]。脱硝催化剂是SCR系统中最重要的功能性材料，在机组运行过程中，其使用寿命对脱硝效率和经济成本有着巨大的影响。但是由于催化剂在使用中会受到多种不利因素的影响而造成性能下降，烟气中携带的灰便是其中之一[2]。SCR系统通常采用高尘布置，即布置在省煤器和空气预热器之间，烟气没有经过除尘，含尘量较高，会造成催化剂堵塞和磨损，尤以其中的大颗粒灰的影响最大。

1 大颗粒灰

大颗粒灰是在燃烧过程中产生的，由于熔渣现象造成细小颗粒的飞灰聚集形成大颗粒。大颗粒灰为多孔结构，密度较小，外形不规则，很容易达到10mm以上的尺度[3]。由于催化剂的节距有限，大颗粒灰无法通过催化剂，这样就会造成催化剂的堵塞，严重情况之下，由于堵塞造成通流面积减少，局部区域的烟气流速增加而引发催化剂磨损。一般当飞灰粒径大于 4mm 时可造成催化剂的阻塞，对于直径较大的飞灰颗粒，如只从催化剂的结构设计上来防止堵塞是不行的，必须在其进入催化剂前去除。在美国电站发展过程中，曾出现过直径达 10mm的爆米花状飞灰对空预器造成严重的堵塞。大颗粒飞灰的动能与飞灰颗粒的大小成正比，去除大颗粒的飞灰，可显著减轻其对催化剂的磨损。

试验证明，若能将大于 90μm的灰粒的分离效率从 67% 提高到 90%，催化剂磨损速度可降为以前的 45%[4]；大颗粒飞灰的化学组成中 SiO2和Al2O3所占的比值通常作为飞灰磨损特性的重要指标，比值越大，催化剂磨损越严重，当比值超过60%时，磨损将显著加重；同时催化剂的磨损与飞灰的浓度成正比。飞灰浓度越大，表明烟气中灰量越多，灰粒撞击的次数越多，引起的磨损越严重。大颗粒灰很难在流动中被破碎，也很难通过扩展烟道及降低烟气流速的方法使其沉降[5]。孙玉柱[6]研究了典型电厂电除尘飞灰特性。去除烟气中的大颗粒灰可以有效的保护催化剂的运行。

2 大颗粒灰去除方法

在众多的失活成因中，堵塞是催化剂失活的最主要、最突出，也是最常见的物理成因，那些反应器内大面积灰堵现象往往由大颗粒灰引发。为了使SCR烟气脱硝设备长期稳定可靠地运行，防治催化剂堵塞是首要措施。如前所述，大颗粒灰易造成催化剂堵塞，因此，必须阻止烟气中的大颗粒灰进入反应器，通常采用省煤器灰斗改造或加装大颗粒灰拦截网的方法。

2.1 省煤器灰斗改造

目前国内电站燃煤锅炉省煤器出口普遍设置收尘灰斗，也有一些锅炉在此不设灰斗。省煤器灰斗对烟气中携带的灰有一定的收集作用[7]，烟气中携带的灰随气流方向和速度的变化，部分从气流中分离出来进入灰斗。然而，常规灰斗的烟气转向范围较小，部分大颗粒灰不能沉降，会随烟气直接进入水平烟道。此外，灰斗内流场不均匀还会导致二次扬灰，使已经沉积的飞灰再次进入烟道内。通过流场模拟对省煤器灰斗进行优化改造，可以使大颗粒灰与灰斗侧壁碰撞而被捕集到灰斗里面，增大灰斗对大颗粒灰的收集功能[8]。

2.2 加装大颗粒灰拦截网

省煤器灰斗优化改造并不能完全收集烟气中的大颗粒灰，另外，有些机组并不具备对省煤器灰斗进行优化改造的条件，为此在灰斗上加装大颗粒灰拦截网(LPA Screen)是一种更为高效的分离大颗粒灰的方法。大颗粒灰拦截网在国际上已经广泛应用，并被证明是一种可靠的并可以连续阻止大颗粒灰进入SCR反应器的技术[9]。

2.2.1 拦截网形式

大颗粒灰拦截网主要有平板式和褶皱式(图1)两种。平板式拦截网的结构较为简单，是由一定开孔率的金属网和钢架组成，烟气通过拦截网时，大颗粒灰被拦截并落入灰斗内被收集。褶皱式拦截网是由平板式演变而来，由多个平板式拦截网按一定角度组装而成。

图1 褶皱式拦截网示意

拦截网对飞灰的耐磨蚀性能和引起的流动压降损失是影响拦截滤网系统稳定安全运行的重要因素。拦截网的使用寿命由烟气流速与固体流率(灰负荷)共同决定[10]，使用大开孔率和低烟气流速的拦截网可以延长其使用寿命。平板式拦截网结构较为简单，与褶皱式拦截网相比，过滤面积较小；烟气通过褶皱式拦截网法线的速度小于平板式拦截网截面的平均流速，所以褶皱式拦截网的抗磨损能力更强，使用寿命更长。褶皱式拦截网以较大的拦截面积和相对低的烟气流速也保证了其压力损失较低。陈鸿伟[11]从滤网流动阻力特性试验过程中发现，滤网所捕集的灰颗粒集中分布在脊角上侧贴近风道处，这是因为大颗粒灰随烟气经过拦截网时，向褶皱顶部聚集，失去速度后落入下方的灰斗内引起的。两种型式的滤网均会存在烟气流速与灰浓度分布不均匀的现象，为延长滤网使用寿命，必须通过流场优化，使烟气流速与灰浓度分布更加均匀。褶皱式拦截网的拦截效果如图2所示。

图2 拦截网的拦截效果

2.2.2 拦截网防磨损措施

滤网的材质一般要求为304不锈钢或者在不锈钢表面涂敷耐磨材料。根据工程经验，未涂敷的304不锈钢滤网仅适用于烟气流速20m/s以下的使用条件，有涂敷的可用于25m/s以上的烟气流速。滤网的形式为不锈钢穿孔板。拦截网在设计时必须考虑堵灰和磨损的影响。因为大颗粒灰的形状不规则，颗粒尺寸大于滤网开孔的灰会卡堵在拦截网上，卡堵到一定程度会造成局部流速过大，进而造成拦截网被磨蚀。为防止拦截网卡堵，采用低流速设计及加装清灰装置是比较合理的，同时还需考虑在线检修和更换拦截网[12-13]。

拦截网安装在省煤器灰斗上方，烟气流动状态较为复杂，为了达到最佳的拦截效果，必须采用CFD技术进行流场的模拟计算和设计，采取增设导流板等措施，使烟气流动状况满足大颗粒灰拦截的需求。

3 案例介绍

3.1 项目概况

广东某沿海2×1036MW超超临界燃煤发电机组SCR 烟气脱硝设备于2009年投入运行。由于烟气中灰分浓度较高，且催化剂的堵塞和磨损现象较为明显。电厂在2016年6月进行了脱硝提效改造，由某环保技术公司实施，具体工程内容为流场和氨喷射系统优化改造，以及增设大颗粒灰拦截网装置，以满足脱硝超低排放运行的要求。

3.2 流体仿真模拟

由该公司自主设计的大颗粒灰拦截网为褶皱式，滤网材料使用涂层不锈钢冲孔板(见图3)，耐磨和耐磨损性能优越。由于拦截网为多孔滤网，每层滤网上都有成千上万个孔，如果按实际结构建模，需要极其庞大的网格，无法进行计算，因此需要对拦截器进行等效模拟。具体的等效模拟是采用多尺度模拟方法，分别对拦截器单个微孔单元和多个微孔单元的流动状态进行数值模拟研究，并最终进行参数优化回归分析确定拦截器的参数。SCR系统模拟结构如图4所示。

图3 滤网样式

该电厂SCR脱硝装置在未加装拦截网和流场优化改造之前，存在着烟气速度、氨气浓度分布不均匀等问题，催化剂的堵塞和磨损现象较为严重。优化前后的首层催化剂各参数对比见表1。

模拟统计了100%BMCR(首层催化剂上游平均速度3.85m/s)工况下系统各分段的压力损失情况如表2所示。

图4 SCR系统模拟结构图示意

表1 优化前后首层催化剂烟气参数对比

项 目烟气速度偏差/%氨气浓度偏差/%温度分布偏差/℃入射角偏差/°优化前20．542．210．230．1优化后5．23．21．58．85

表2 100%BMCR工况SCR系统分段压降CFD模拟结果

项 目压降/Pa烟道压力损失298拦截器32首层催化剂上游～底层催化剂下游350(三层)SCR系统680

省煤器出口水平烟道处速度设置拦截器流场进行对比，结果分布如图5～6所示。从图中可以看出，增设拦截器后弯头上游(即拦截器后断面)的速度分布均匀性有所改善，这是因为拦截器属于多孔结构，具有气流均布的作用。在未考虑飞灰、内支撑件的影响时，拦截器产生的压力损失为32Pa，对脱硝系统影响较小。

图5 未设置拦截器时速度分布图

图6 设置拦截器时速度分布图

3.3 工程效果

根据流场模拟结果，在工程实施工程中，拦截网采用不锈钢穿孔板，网孔为正六边形，网孔尺寸选择为4mm，以拦截颗粒直径较大的飞灰。为保证烟气流通面积，滤网的通孔面积应为烟道截面积的1.1～1.2倍左右。为防止滤网堵塞及侵蚀造成的局部流速过高，滤网设计时采用了低流速设计、加装空气炮吹灰装置。空气炮通过拦截网前后的压差来控制启停，实现自动吹灰，拦截装置必须装备不少于8 套差压(差压变送器)测点，信号送至集控室DCS，实现远方及就地手自动控制。

拦截网安装如图7所示。

图7 拦截网安装示意

大颗粒灰拦截网投运后，烟气中大颗粒灰得到有效拦截，催化剂及空预器的堵塞现象得到控制；拦截网前后的压差大约在50Pa左右，不增加功耗。这将大大有助于烟气SCR脱硝设备的正常运行，尤其是在超低排放要求下，控制氨逃逸，延长催化剂使用寿命，降低引风机电耗等各方面起到良好作用。该电厂两台百万机组上大颗粒灰拦截网的成功应用，填补了国内燃煤电厂在这个领域的空白，可资借鉴。

4 结语

燃煤电厂烟气中携带的大颗粒灰对SCR烟气脱硝系统的影响很大，已经逐步受到电厂的重视。优化省煤器灰斗对大颗粒灰有一定的去除效果，但并不能完全去除大颗粒灰，加装褶皱式大颗粒灰拦截网可以有效增大拦截面积，大颗粒灰拦截效果显著。低流速和空气炮清灰装置双重措施的组合设计可以有效解决拦截网的堵塞。实践表明，大颗粒灰拦截网可以连续稳定运行，在我国燃煤电厂内有广泛的应用前景。

参考文献：

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