煙氣飛灰對SCR脫硝催化劑的磨損性能試驗研究

陳鴻偉， 趙寶寧， 張 千， 許文良， 鄧淮銘， 王廣濤

(1．華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2．神華集團國華(北京)電力研究院，北京 100000)

選擇性催化還原(SCR)脫硝技術具有技術成熟、脫硝高效(可達90%)和經濟性好等優(yōu)點[1]，因此被國內外燃煤電站廣泛采用。催化劑是SCR脫硝技術的核心，主要有板式、波紋式和蜂窩式3種形式，其中蜂窩式催化劑市場占有率最高[1-2]。

飛灰磨損是催化劑失活的主要原因之一[3]。在正常設計工況下，飛灰磨損可促進催化劑表面更新，使催化劑保持良好的活性[4]，但由于實際運行工況和煤質均與設計值有一定偏差，導致飛灰粒徑較大、硬度大、成分復雜[5]，經常會造成催化劑的過度磨損，嚴重時引起催化劑斷裂、坍塌，造成催化劑不可逆的機械性破壞，降低催化劑的使用壽命。因此，研究飛灰對SCR蜂窩式催化劑的磨損問題，對延長催化劑的使用壽命具有一定的指導意義。

催化劑磨損主要出現在催化劑端面，呈向內凹陷狀。催化劑內孔壁面在長時間飛灰的切削作用下，會出現壁面減薄的磨損現象。SCR脫硝催化劑的磨損主要是由煙氣中攜帶的高速飛灰顆粒撞擊、切削造成的，但具體飛灰磨損機理卻十分復雜，是許多因素綜合影響的結果。研究表明，飛灰的磨損特性主要取決于煙氣流速、飛灰粒徑、飛灰質量濃度和飛灰硬度等[6-7]。由于磨損機理的復雜性，所以往往采用試驗的方法對其進行研究，即確定一些因素來研究其他因素對磨損的影響，而確定的因素則作為常量來處理[8]。筆者采用自行設計的試驗系統(tǒng)裝置，分別對影響催化劑磨損的主要因素如煙氣流速、飛灰質量濃度和飛灰粒徑等進行了研究，揭示了飛灰對SCR蜂窩式催化劑磨損的影響，可為電廠實際運行提供指導性作用。

1 試驗系統(tǒng)及工況

1.1 試驗系統(tǒng)裝置

參考肖雨亭等[2]和徐秀林[9]的沖蝕磨損試驗系統(tǒng)，自行設計飛灰對催化劑的磨損性能試驗系統(tǒng)，如圖1所示。其基本工作原理是引風機為試驗系統(tǒng)創(chuàng)造負壓環(huán)境，使空氣從左側喇叭口進入風道，通過調節(jié)風道上的閥門開度來改變風壓和風速，并通過壓力表和熱線風速儀對試驗參數進行測量和監(jiān)控。將催化劑樣品置于樣品倉中，在樣品倉之前設有一個給料機，可連續(xù)均勻地向風道內輸送飛灰，送入風道的飛灰被風攜帶，一起經過加速段風道，使得飛灰加速充分。高速運動的飛灰到達催化劑樣品表面，完成對催化劑樣品的磨損試驗。夾帶飛灰的空氣通過布袋除塵器，進行氣固分離，以便回收利用，并防止污染環(huán)境，引風機向外排出干凈的空氣。

1—風道入口；2—給料機；3—加速風道；4—樣品倉； 5—布袋除塵器；6—引風機；7—風道出口

在實際工程中，由于SCR脫硝系統(tǒng)煙道存在設計缺陷，往往會導致催化劑入口處的煙氣流速和飛灰質量濃度分布不均勻，由于試驗風道尺寸較小，且全程水平布置，可保證催化劑入口處煙氣流速和飛灰質量濃度分布均勻，因此可通過改變工況來分析不同因素對催化劑樣品磨損的影響。

1.2 試驗過程

試驗所用樣品為8×8孔的SCR脫硝蜂窩式催化劑，長度為8 cm，孔距為7 mm，壁厚為1 mm，除去催化劑單元體的硬化部位，試驗所用原灰均取自某電廠。在試驗前，先對催化劑樣品進行干燥處理，將其置于100～105 ℃的干燥箱中，干燥1～2 h。完成干燥后，充分冷卻催化劑樣品，并進行稱重。準備工作完成后，將催化劑樣品置于樣品倉并密封好，開啟試驗系統(tǒng)裝置，并通過調節(jié)閥門和給料機速度，以達到試驗要求。完成試驗后，對磨損的催化劑樣品進行稱重，其磨損率Er定義為：

(1)

式中：Er為催化劑樣品的磨損率，g/(m2·s)；Δm為催化劑樣品磨損前后的質量差，g；m為催化劑樣品磨損前的質量，g；m′為催化劑樣品磨損后的質量，g；A為催化劑樣品橫截面的面積，m2；t為催化劑樣品的磨損時間，s。

磨損率Er越大，說明催化劑樣品的磨損破壞越嚴重。

1.3 試驗工況擬定

試驗前對電廠原灰進行篩分，分別得到大于等于88 μm的粗灰和小于88 μm的細灰，分別約占原灰質量分數的20%和80%。脫硝系統(tǒng)催化劑入口的飛灰質量濃度為15～50 g/m3，煙氣流速為3～5 m/s。為短時間內觀察到磨損現象，加大了飛灰質量濃度和煙氣流速。在研究煙氣流速和飛灰粒徑對飛灰磨損特性的影響時，將飛灰質量濃度設為確定因素，即在試驗過程中飛灰分別為粗灰、原灰和細灰時，煙氣流速控制在20 m/s、25 m/s、30 m/s和35 m/s，飛灰質量濃度為40 g/m3；在研究飛灰質量濃度對飛灰磨損特性的影響時，將煙氣流速和飛灰粒徑設為確定因素，即在試驗過程中飛灰質量濃度控制在40 g/m3、60 g/m3、80 g/m3、100 g/m3、120 g/m3、140 g/m3和160 g/m3，保持飛灰為原灰，煙氣流速為35 m/s；共設18個工況。

2 數學模型及數據處理方法

2.1 磨損率Er的數學模型

催化劑端面和孔道內壁面受煙氣中飛灰的撞擊、沖蝕，造成催化劑表面的活性成分流失，磨損機理分別屬于高角度沖蝕和低角度沖蝕[10]。結合Finnie[11]的微切削理論和Bellman等[12]的薄片剝落磨損理論，分析飛灰對催化劑樣品的磨損，將磨損率Er的數學模型簡化為：

Er=k·ρ·vp·dn

(2)

式中：k為飛灰的磨損性能系數；ρ為飛灰的質量濃度，g/m3；v為煙氣流速，m/s；d為飛灰的平均粒徑，μm；p、n分別為速度指數和粒徑指數。

采用該數學模型計算催化劑樣品的磨損率，既便于處理試驗數據，又便于推算實際工況下的磨損量。

2.2 飛灰平均粒徑的確定

根據對電廠原灰的篩分結果，發(fā)現電廠原灰中粒徑為0～25 μm的飛灰質量分數為2.81%，>25～38 μm的飛灰質量分數為12.08%，>38～54 μm的飛灰質量分數為22.46%，>54～75 μm的飛灰質量分數為26.75%，>75～88 μm的飛灰質量分數為13.31%，>88～113 μm的飛灰質量分數為8.76%，>113～152 μm的飛灰質量分數為7.94%，152 μm以上的飛灰占5.89%。

在研究飛灰粒徑對催化劑樣品的磨損影響時，需確定飛灰顆粒群的平均粒徑。粗灰、原灰和細灰的平均粒徑d為[13]：

(3)

式中：di為第i個粒子的粒徑，μm；wi為粒徑di的粒子質量分數，%；r為粒度指數，r取1.876[14]。

經計算，粗灰、原灰和細灰的平均粒徑分別為146 μm、90 μm和65 μm。

2.3 數學回歸式的確定

采用二元線性回歸的方法分別處理不同煙氣流速和飛灰粒徑對應的催化劑樣品磨損率的試驗數據，可得出不同工況下催化劑磨損率的數學回歸式，進而得到速度指數和粒徑指數，用以分析煙氣流速和飛灰粒徑對催化劑磨損的影響，具體方法見文獻[1]。表1為不同飛灰粒徑下煙氣流速和催化劑磨損率的數學回歸式，表2為不同煙氣流速下飛灰粒徑和催化劑磨損率的數學回歸式。

表1 不同飛灰粒徑下煙氣流速與催化劑磨損率的數學回歸式

表2 不同煙氣流速下飛灰粒徑與催化劑磨損率的數學回歸式

3 試驗結果與討論

3.1 催化劑磨損位置

圖2和圖3分別為催化劑樣品磨損前、后的對比圖，發(fā)現磨損后催化劑端面孔壁磨損明顯，且端面向內凹陷；由于磨損時間較短，內孔壁磨損不明顯。因此需要對催化劑端面進行一定的硬化保護，以減輕飛灰對催化劑端面的磨損破壞。

圖2 磨損前的催化劑樣品

圖3 磨損后的催化劑樣品

3.2 煙氣流速與催化劑磨損率的關系

圖4給出了在不同粒徑飛灰顆粒下催化劑磨損率隨煙氣流速的變化曲線。由圖4可以看出，隨著煙氣流速的增大，催化劑的磨損率顯著增大，說明催化劑的磨損率對煙氣流速的變化極為敏感，煙氣流速是催化劑磨損的主要因素。其原因是隨著煙氣流速的增大，煙氣攜帶的飛灰獲得較大的動能，使其撞擊、沖蝕催化劑端面和內壁面的能力增強，從而導致催化劑磨損率增大。煙氣流速對催化劑磨損的影響程度可用速度指數p來表征，表3給出了由試驗數據回歸出的速度指數。由表3可以看出，隨著飛灰粒徑的增大，速度指數p減小，表明飛灰粒徑增大，煙氣流速對催化劑磨損的影響逐漸減弱。

圖4 催化劑磨損率與煙氣流速的關系

表3 粗灰、原灰和細灰的速度指數p

3.3 飛灰粒徑與催化劑磨損率的關系

圖5為不同煙氣流速下催化劑磨損率隨飛灰粒徑的變化曲線。由圖5可知，催化劑的磨損率隨飛灰粒徑的增大而增大，這是因為在相同煙氣流速下，飛灰的動能與其粒徑大小成正比。隨著飛灰粒徑的增大，飛灰對催化劑的沖蝕磨損加劇。飛灰對催化劑磨損的影響可用粒徑指數n來表征，表4給出了由試驗數據回歸出的粒徑指數。由表4可以看出，隨著煙氣流速的增大，粒徑指數逐漸減小。這表明隨著煙氣流速的增大，粒徑對催化劑磨損的影響逐漸減弱。

圖5 催化劑磨損率與飛灰粒徑的關系

表4 不同煙氣流速下的粒徑指數n

3.4 飛灰質量濃度與催化劑磨損率的關系

由圖6可以看出，隨著飛灰質量濃度的增大，催化劑的磨損率呈線性增加，原因是隨著飛灰質量濃度的增大，單位時間內有更多的飛灰撞擊、沖蝕催化劑端面和內孔壁，加劇了催化劑的磨損；在通灰量相同的情況下，隨著飛灰質量濃度的增大，催化劑的失重變化不顯著，這是因為當不考慮作用時間、保證通灰量相同時，微觀上撞擊、磨蝕催化劑端面和孔壁面的粒子數相等，飛灰對催化劑的磨損程度相同，故宏觀表現為催化劑失重大致相等。

圖6 催化劑磨損率、失重與飛灰質量濃度的關系

在電廠實際運行過程中，鍋爐煙氣環(huán)境比試驗煙氣環(huán)境更為復雜，溫度和沖蝕角度等均會影響催化劑的磨損[9]。筆者重點研究了煙氣流速、飛灰粒徑和飛灰質量濃度對催化劑的磨損，將進一步進行其他相關影響因素的研究。

4 結 論

(1)催化劑磨損部位主要在端面，且磨損后催化劑端面向內凹陷，對催化端面進行一定的硬化措施，可在一定程度上減輕飛灰對催化劑的磨損。

(2)催化劑磨損的主要因素是煙氣流速。當煙氣流速增大時，催化劑磨損率以速度指數基本為4的規(guī)律增大。速度指數隨飛灰粒徑的增大而減小，隨著飛灰粒徑的增大，煙氣流速對催化劑磨損率的影響減弱。

(3)飛灰粒徑也是影響催化劑磨損率的重要因素，催化劑的磨損率隨著飛灰粒徑的增大而增大。粒徑指數在1附近變化，且隨空氣流速的增大而減小，說明隨著空氣流速的增大，粒徑對催化劑磨損的影響逐漸減弱。

(4)催化劑磨損率與飛灰質量濃度成正比，這與催化劑磨損的數學模型一致，但在相同的通灰量下，催化劑的失重大致相等，與飛灰質量濃度的變化無關。

(5)在電廠SCR脫硝系統(tǒng)實際運行中，應盡可能在設計工況下運行，避免局部高速，保證流場均勻，可有效降低飛灰的磨損能力，實現對催化劑一定的保護，延長催化劑的使用壽命。

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