飛灰對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的影響

文小于，陶莉，周艷明

(1.湖南省湘電試研技術(shù)有限公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

飛灰對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的影響

Influence of fly ash on selective catalytic reduction denitration system

文小于1，陶莉2，周艷明2

(1.湖南省湘電試研技術(shù)有限公司，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

以2個(gè)電廠的SCR脫硝系統(tǒng)為典型研究對(duì)象，分別統(tǒng)計(jì)和分析2個(gè)電廠煙氣中煙塵含量、SCR系統(tǒng)運(yùn)行情況以及催化劑活性的變化情況。根據(jù)催化劑催化原理，結(jié)合SCR系統(tǒng)特點(diǎn)及實(shí)際運(yùn)行情況，制訂SCR脫硝催化劑高灰條件下的應(yīng)對(duì)措施。

飛灰；電廠；SCR系統(tǒng)；表面沉積物；催化劑活性

隨著GB13223—2011《大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，各燃煤火力發(fā)電機(jī)組紛紛增設(shè)煙氣脫硝系統(tǒng)以降低氮氧化物的排放。目前使用最廣泛的是選擇性催化還原脫硝 (SCR)技術(shù)〔1〕，該技術(shù)中催化劑是其重要組成部分〔2〕。在實(shí)際運(yùn)行中，由于煤質(zhì)與設(shè)計(jì)值常出現(xiàn)偏差，尤其是飛灰含量經(jīng)常超過設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致出現(xiàn)飛灰堵塞催化劑的現(xiàn)象，飛灰中攜帶的堿金屬 (如K2O和Na2O等)還會(huì)引起催化劑中毒〔3-5〕，另外飛灰的高速?zèng)_刷會(huì)導(dǎo)致催化劑出現(xiàn)機(jī)械損壞，使SCR脫硝系統(tǒng)阻力增加，催化劑活性下降〔2，6〕。這不僅影響系統(tǒng)的脫硝效率和NOx的達(dá)標(biāo)排放，而且會(huì)造成還原劑NH3夾帶量的增加，對(duì)下游設(shè)備造成腐蝕，引起設(shè)備安全性問題〔5〕。

湖南省境內(nèi)現(xiàn)有300MW以上發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，與SCR脫硝系統(tǒng)同步建設(shè)的機(jī)組共有7臺(tái)，其它為改建機(jī)組。文中選取煙氣飛灰含量較高的A，B 2個(gè)電廠配套的SCR系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過統(tǒng)計(jì)分析2個(gè)電廠的設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行情況以及電廠的煤質(zhì)、飛灰成分，考察煙氣中的飛灰對(duì)SCR系統(tǒng)的影響，并據(jù)此提出SCR脫硝系統(tǒng)應(yīng)對(duì)高飛灰條件的具體措施。

1 SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行狀況

1.1 SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

A電廠1，2號(hào)機(jī)組 (2×300 MW)和B電廠1，2號(hào)機(jī)組 (2×600 MW)的SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式類似，催化劑為蜂窩整體式，催化劑布置采用 “2＋1”模式。SCR催化劑設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 SCR系統(tǒng)運(yùn)行情況及吹灰裝置

A電廠1，2號(hào)機(jī)組配套SCR反應(yīng)器間歇運(yùn)行21 000 h左右；B電廠1，2號(hào)機(jī)組配套SCR催化劑處于高溫高塵環(huán)境已有38 000 h，基本未噴氨投運(yùn)。A電廠和B電廠為湖南省首批與主機(jī)同時(shí)設(shè)計(jì)、安裝的SCR脫硝系統(tǒng)，SCR反應(yīng)器只安裝了耙式吹灰器。

2 飛灰含量對(duì)SCR系統(tǒng)的影響

2.1 電廠煤質(zhì)分析

2.1.1 A電廠1號(hào)機(jī)組煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)

據(jù)統(tǒng)計(jì)2011年及2012年A電廠1號(hào)機(jī)組燃用煤質(zhì)，其中2011年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)589組，其收到基低位發(fā)熱量范圍為11.35～18.06MJ/kg；2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)432組，其收到基低位發(fā)熱量范圍為12.25～18.32MJ/kg。

圖1為2011年和2012年A電廠1號(hào)機(jī)組燃用煤質(zhì)產(chǎn)生的煙塵含量。由圖 1可知，2011年和2012年燃用煤質(zhì)中灰分含量較高，至少有將近一半的時(shí)間燃用的煤質(zhì)灰分含量超過了SCR催化劑設(shè)計(jì)參考值 (50 g/Nm3)。

A電廠2011年煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)295 d，灰分在34.69%～53.85%之間，平均44.49%。煙塵量在36～73 g/Nm3之間，其中大于50 g/Nm3的約268 d。

2012年煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)246 d，灰分在37.66%～50.09%之間，平均 43.23%。煙塵量在 39～70 g/Nm3之間，其中大于50 g/Nm3的約239 d。

由此可見，2011—2012年，A電廠的SCR脫硝系統(tǒng)在絕大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)均是在灰分含量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下運(yùn)行的。

2.1.2 B電廠2號(hào)機(jī)組煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)

2012年B電廠2號(hào)機(jī)組燃用煤質(zhì)共統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1 125組，其收到基低位發(fā)熱量范圍為 12.475～25.796MJ/kg。

由圖2可知，2012年B電廠2號(hào)機(jī)組燃用的煤質(zhì)波動(dòng)很大，該年度煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1 125組，灰分在5.63%～50.54%之間，煙塵量在6～65 g/Nm3之間，其中大于50 g/Nm3的約占7.1%。

相對(duì)于A電廠，B電廠煤質(zhì)中灰分含量較低。由于B電廠機(jī)組安裝有低氮燃燒器，其SCR系統(tǒng)入口NOx濃度較低，一般低于400 g/Nm3。

2.2 電廠機(jī)組飛灰組分分析

2.2.1 A電廠1號(hào)機(jī)組飛灰組分分析

2011年10月及2012年10月在主機(jī)停運(yùn)時(shí)，進(jìn)入1號(hào)機(jī)組SCR系統(tǒng)B反應(yīng)器進(jìn)行了脫硝催化劑表面灰樣取樣，并對(duì)其表面進(jìn)行檢查。表2為催化劑表面積灰的成分分析數(shù)據(jù)。

由表2可知，A電廠催化劑表面積灰的主要成份為SiO2和Al2O3，同時(shí)積灰中還含有堿性的K2O和Na2O，以及酸性的P2O5及重金屬PbO等。由于SCR催化劑屬于一種固體酸催化劑，其骨架結(jié)構(gòu)中摻雜的V2O5以及少量的WO3，使得催化劑表面攜帶有酸性的B酸位而成為NOx和NH3的反應(yīng)活性位點(diǎn)，而積灰中的堿性元素覆蓋在催化劑的表面，常常會(huì)中和催化劑的活性酸性位點(diǎn)〔7〕，同時(shí)飛灰中的重金屬會(huì)與催化劑骨架中V形成配位物而將消耗骨架中的V，使骨架中的V流失而降低催化劑的反應(yīng)活性〔8，9〕。因此，減少催化劑表面的積灰是維持或延長催化劑活性的有效手段之一。

2.2.2 B電廠2號(hào)機(jī)組飛灰組分分析

2011年B電廠2號(hào)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，進(jìn)入反應(yīng)器中對(duì)催化劑表面積灰取樣，并對(duì)其成分進(jìn)行分析檢測(cè)。具體數(shù)據(jù)見表3。

B電廠SCR催化劑表面積灰的成分有所不同，其堿金屬含量較A電廠的小，而CaO的含量比A電廠的高出將近1倍，Ca2＋與催化劑中分散的釩類物質(zhì)相互作用較小，并且對(duì)催化劑表面的酸性點(diǎn)位影響很小〔10〕，從煙塵中成分可推測(cè)，B電廠煙塵對(duì)催化劑的影響主要表現(xiàn)為物理堵塞等。

3 SCR系統(tǒng)催化劑活性檢測(cè)

3.1 SCR系統(tǒng)催化劑活性檢測(cè)方法

催化劑活性測(cè)試在自制的實(shí)驗(yàn)室模擬裝置上進(jìn)行，裝置包括以下4個(gè)系統(tǒng):模擬氣體配制系統(tǒng)、氣體加熱系統(tǒng)、固定床反應(yīng)系統(tǒng)及在線分析系統(tǒng)。模擬煙氣的實(shí)際成分:NO為1 000mg/m3，SO2為3 000mg/m3，O2含量為4%、VNH3/VNO＝1.0，模擬煙氣的空間速度SV＝4 000 h－1。

3.2 A電廠SCR系統(tǒng)催化劑活性檢測(cè)

3.2.1 SCR系統(tǒng)催化劑單體堵塞率

對(duì)A電廠催化劑調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)催化劑單體有部分孔道受堵，其中前端受堵孔道數(shù)量較后端多，約占總孔道數(shù)的46.7%，后端約占總孔道的15.6%，堵塞孔道的主要為干燥的極細(xì)的煙塵，和新鮮催化劑相比，在運(yùn)催化劑由于其孔道受堵，導(dǎo)致其脫硝效率有所降低。

3.2.2 催化劑活性測(cè)試

表4為催化劑的NH3－TPD測(cè)試數(shù)據(jù)。SCR催化劑在140℃左右出現(xiàn)一個(gè)弱酸中心，表4數(shù)據(jù)顯示，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，表面總酸量呈下降趨勢(shì)，在運(yùn)催化劑表面總酸量較新鮮催化劑下降了35.3%。由于酸量大小與摻雜金屬的量密切相關(guān)，因此，可以推斷，相比于新鮮催化劑，在運(yùn)催化劑中摻雜元素V、W的含量有所下降。同時(shí)，由于催化劑表面積灰嚴(yán)重，且灰中含有堿金屬物質(zhì)，可能對(duì)催化劑的酸性活性位點(diǎn)產(chǎn)生中和作用，導(dǎo)致催化劑酸量下降〔9，11〕。

3.3 B電廠SCR系統(tǒng)催化劑活性檢測(cè)

3.3.1 SCR系統(tǒng)催化劑單體堵塞率

催化劑單體有部分孔道受堵，其中前端受堵孔道數(shù)量較后端多，約占總孔道數(shù)的48.5%，后端約占總孔道的30.6%，經(jīng)檢查，堵塞孔道的主要為干燥的極細(xì)的煙塵。

3.3.2 催化劑活性測(cè)試

2012年5月，待B電廠2號(hào)機(jī)組主機(jī)停運(yùn)時(shí)，進(jìn)入其SCR系統(tǒng)A反應(yīng)器，取出催化劑模塊，采用實(shí)驗(yàn)室煙氣脫硝模擬裝置，對(duì)催化劑的脫硝活性等進(jìn)行了分析測(cè)試。

經(jīng)過測(cè)試可知，B電廠在運(yùn)催化劑的脫硝效率為94.12%，相對(duì)于新鮮催化劑而言，脫硝效率由新鮮的97.34%下降到94.12%，高于A電廠的催化劑脫硝活性。SCR催化劑吡啶吸附紅外譜圖如圖3所示，催化劑中所含有的B酸、L酸的峰面積結(jié)果如表5所示。

由表5可知，與新鮮催化劑相比，雖然B電廠催化劑基本沒有處于投運(yùn)狀態(tài)，但由于長期受煙氣沖刷，其表面酸性液發(fā)生變化，其中B酸，L酸分別下降了43.24%，22.32%。

煙氣中的水溶性離子隨飛灰堆積在催化劑的表面，會(huì)對(duì)催化劑產(chǎn)生毒害作用〔12〕。催化劑表面水溶性陽離子的分析結(jié)果如表6所示。

從表6可以看出K＋，Na＋，Ca2＋，N運(yùn)行前后的含量有明顯的差別，其中K＋是新鮮催化劑的50倍，Na＋是新鮮催化劑的10倍，由此可見，煙塵中攜帶的堿金屬等元素能沉積在催化劑的表面，特別是K＋的積累量較大，堿金屬在催化劑表面的積累對(duì)催化劑的酸性活性位點(diǎn)產(chǎn)生毒害，中和了催化劑中的酸性位點(diǎn)，在表5數(shù)據(jù)中可以得到驗(yàn)證。

3.4 SCR脫硝系統(tǒng)高灰條件下的應(yīng)對(duì)措施

1)由于湖南省煤炭資源缺乏，需要外運(yùn)大量煤炭才能滿足機(jī)組燃運(yùn)的需求，因此，煤質(zhì)往往會(huì)偏離 SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，其中煤質(zhì)中對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)、特別是催化劑的設(shè)計(jì)參數(shù)影響最大的是煙塵含量。煙塵中含有的大量的堿金屬及重金屬，常對(duì)催化劑的活性產(chǎn)生毒害作用，因此，選擇優(yōu)質(zhì)的煤種至關(guān)重要。

2)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)，捕捉大粒徑灰粒。在煙道恰當(dāng)位置設(shè)置灰斗和擋灰屏，也可以通過控制煙氣上升段氣流流速控制大粒徑灰粒。在省煤器灰斗中加裝隔板、擋板，在垂直方向加裝隔板和有角度的屏，在灰斗上部的垂直煙道加裝水平位置的屏或大孔徑濾網(wǎng)，均可有效攔截?zé)焿m中大顆粒塵。

3)選擇合理的煙氣流速。在SCR反應(yīng)器中，煙氣流速過大或過小，均會(huì)對(duì)催化劑產(chǎn)生影響。過大，對(duì)催化劑的機(jī)械磨損強(qiáng)度加大；過小，則容易使煙塵沉積在催化劑表面，因此，選擇適宜的煙氣流速能減少對(duì)催化劑的機(jī)械磨損或積灰。

4 結(jié)論

電廠機(jī)組燃運(yùn)的煤質(zhì)往往會(huì)偏離SCR脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，煤質(zhì)中對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)中催化劑的設(shè)計(jì)參數(shù)影響最大的是煙塵含量。煙塵的存在會(huì)引起催化劑的堵塞，并且煙塵中含有的大量的堿金屬可對(duì)催化劑的活性產(chǎn)生毒害作用。因此，制定SCR脫硝系統(tǒng)在高飛灰條件下的應(yīng)對(duì)措施，嚴(yán)格控制煙氣中的飛灰含量，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行尤為重要。

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1008-0198(2014)06-0051-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.015

2014-06-18 改回日期:2014-08-11