燃煤電廠SCR煙氣脫硝設(shè)備大顆粒灰攔截技術(shù)的應(yīng)用研究

單文盼，劉安陽，李丁輝，張 偉，白玉峰，孫偉鵬，胡木林，姚友工

(1.龍凈科杰環(huán)保技術(shù)(上海)有限公司，上海 201106 ；2.華能海門電廠，廣東 汕頭 515000)

0 引言

選擇性催化還原脫硝技術(shù)(Selective Catalytic Reduction，SCR)以成熟的工藝和較高的脫硝效率在燃煤電站廣泛應(yīng)用[1]。脫硝催化劑是SCR系統(tǒng)中最重要的功能性材料，在機(jī)組運(yùn)行過程中，其使用壽命對(duì)脫硝效率和經(jīng)濟(jì)成本有著巨大的影響。但是由于催化劑在使用中會(huì)受到多種不利因素的影響而造成性能下降，煙氣中攜帶的灰便是其中之一[2]。SCR系統(tǒng)通常采用高塵布置，即布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，煙氣沒有經(jīng)過除塵，含塵量較高，會(huì)造成催化劑堵塞和磨損，尤以其中的大顆?；业挠绊懽畲?。

1 大顆?；?/h2>

大顆粒灰是在燃燒過程中產(chǎn)生的，由于熔渣現(xiàn)象造成細(xì)小顆粒的飛灰聚集形成大顆粒。大顆?；覟槎嗫捉Y(jié)構(gòu)，密度較小，外形不規(guī)則，很容易達(dá)到10mm以上的尺度[3]。由于催化劑的節(jié)距有限，大顆?；覠o法通過催化劑，這樣就會(huì)造成催化劑的堵塞，嚴(yán)重情況之下，由于堵塞造成通流面積減少，局部區(qū)域的煙氣流速增加而引發(fā)催化劑磨損。一般當(dāng)飛灰粒徑大于 4mm 時(shí)可造成催化劑的阻塞，對(duì)于直徑較大的飛灰顆粒，如只從催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來防止堵塞是不行的，必須在其進(jìn)入催化劑前去除。在美國電站發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)過直徑達(dá) 10mm的爆米花狀飛灰對(duì)空預(yù)器造成嚴(yán)重的堵塞。大顆粒飛灰的動(dòng)能與飛灰顆粒的大小成正比，去除大顆粒的飛灰，可顯著減輕其對(duì)催化劑的磨損。

試驗(yàn)證明，若能將大于 90μm的灰粒的分離效率從 67% 提高到 90%，催化劑磨損速度可降為以前的 45%[4]；大顆粒飛灰的化學(xué)組成中 SiO2和Al2O3所占的比值通常作為飛灰磨損特性的重要指標(biāo)，比值越大，催化劑磨損越嚴(yán)重，當(dāng)比值超過60%時(shí)，磨損將顯著加重；同時(shí)催化劑的磨損與飛灰的濃度成正比。飛灰濃度越大，表明煙氣中灰量越多，灰粒撞擊的次數(shù)越多，引起的磨損越嚴(yán)重。大顆粒灰很難在流動(dòng)中被破碎，也很難通過擴(kuò)展煙道及降低煙氣流速的方法使其沉降[5]。孫玉柱[6]研究了典型電廠電除塵飛灰特性。去除煙氣中的大顆粒灰可以有效的保護(hù)催化劑的運(yùn)行。

2 大顆粒灰去除方法

在眾多的失活成因中，堵塞是催化劑失活的最主要、最突出，也是最常見的物理成因，那些反應(yīng)器內(nèi)大面積灰堵現(xiàn)象往往由大顆?；乙l(fā)。為了使SCR煙氣脫硝設(shè)備長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，防治催化劑堵塞是首要措施。如前所述，大顆?；乙自斐纱呋瘎┒氯?，因此，必須阻止煙氣中的大顆?；疫M(jìn)入反應(yīng)器，通常采用省煤器灰斗改造或加裝大顆粒灰攔截網(wǎng)的方法。

2.1 省煤器灰斗改造

目前國內(nèi)電站燃煤鍋爐省煤器出口普遍設(shè)置收塵灰斗，也有一些鍋爐在此不設(shè)灰斗。省煤器灰斗對(duì)煙氣中攜帶的灰有一定的收集作用[7]，煙氣中攜帶的灰隨氣流方向和速度的變化，部分從氣流中分離出來進(jìn)入灰斗。然而，常規(guī)灰斗的煙氣轉(zhuǎn)向范圍較小，部分大顆粒灰不能沉降，會(huì)隨煙氣直接進(jìn)入水平煙道。此外，灰斗內(nèi)流場(chǎng)不均勻還會(huì)導(dǎo)致二次揚(yáng)灰，使已經(jīng)沉積的飛灰再次進(jìn)入煙道內(nèi)。通過流場(chǎng)模擬對(duì)省煤器灰斗進(jìn)行優(yōu)化改造，可以使大顆?；遗c灰斗側(cè)壁碰撞而被捕集到灰斗里面，增大灰斗對(duì)大顆?；业氖占δ躘8]。

2.2 加裝大顆粒灰攔截網(wǎng)

省煤器灰斗優(yōu)化改造并不能完全收集煙氣中的大顆粒灰，另外，有些機(jī)組并不具備對(duì)省煤器灰斗進(jìn)行優(yōu)化改造的條件，為此在灰斗上加裝大顆?；覕r截網(wǎng)(LPA Screen)是一種更為高效的分離大顆?；业姆椒ā４箢w粒灰攔截網(wǎng)在國際上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并被證明是一種可靠的并可以連續(xù)阻止大顆?；疫M(jìn)入SCR反應(yīng)器的技術(shù)[9]。

2.2.1 攔截網(wǎng)形式

大顆?；覕r截網(wǎng)主要有平板式和褶皺式(圖1)兩種。平板式攔截網(wǎng)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，是由一定開孔率的金屬網(wǎng)和鋼架組成，煙氣通過攔截網(wǎng)時(shí)，大顆?；冶粩r截并落入灰斗內(nèi)被收集。褶皺式攔截網(wǎng)是由平板式演變而來，由多個(gè)平板式攔截網(wǎng)按一定角度組裝而成。

圖1 褶皺式攔截網(wǎng)示意

攔截網(wǎng)對(duì)飛灰的耐磨蝕性能和引起的流動(dòng)壓降損失是影響攔截濾網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要因素。攔截網(wǎng)的使用壽命由煙氣流速與固體流率(灰負(fù)荷)共同決定[10]，使用大開孔率和低煙氣流速的攔截網(wǎng)可以延長其使用壽命。平板式攔截網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，與褶皺式攔截網(wǎng)相比，過濾面積較??；煙氣通過褶皺式攔截網(wǎng)法線的速度小于平板式攔截網(wǎng)截面的平均流速，所以褶皺式攔截網(wǎng)的抗磨損能力更強(qiáng)，使用壽命更長。褶皺式攔截網(wǎng)以較大的攔截面積和相對(duì)低的煙氣流速也保證了其壓力損失較低。陳鴻偉[11]從濾網(wǎng)流動(dòng)阻力特性試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，濾網(wǎng)所捕集的灰顆粒集中分布在脊角上側(cè)貼近風(fēng)道處，這是因?yàn)榇箢w?；译S煙氣經(jīng)過攔截網(wǎng)時(shí)，向褶皺頂部聚集，失去速度后落入下方的灰斗內(nèi)引起的。兩種型式的濾網(wǎng)均會(huì)存在煙氣流速與灰濃度分布不均勻的現(xiàn)象，為延長濾網(wǎng)使用壽命，必須通過流場(chǎng)優(yōu)化，使煙氣流速與灰濃度分布更加均勻。褶皺式攔截網(wǎng)的攔截效果如圖2所示。

圖2 攔截網(wǎng)的攔截效果

2.2.2 攔截網(wǎng)防磨損措施

濾網(wǎng)的材質(zhì)一般要求為304不銹鋼或者在不銹鋼表面涂敷耐磨材料。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，未涂敷的304不銹鋼濾網(wǎng)僅適用于煙氣流速20m/s以下的使用條件，有涂敷的可用于25m/s以上的煙氣流速。濾網(wǎng)的形式為不銹鋼穿孔板。攔截網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮堵灰和磨損的影響。因?yàn)榇箢w?；业男螤畈灰?guī)則，顆粒尺寸大于濾網(wǎng)開孔的灰會(huì)卡堵在攔截網(wǎng)上，卡堵到一定程度會(huì)造成局部流速過大，進(jìn)而造成攔截網(wǎng)被磨蝕。為防止攔截網(wǎng)卡堵，采用低流速設(shè)計(jì)及加裝清灰裝置是比較合理的，同時(shí)還需考慮在線檢修和更換攔截網(wǎng)[12-13]。

攔截網(wǎng)安裝在省煤器灰斗上方，煙氣流動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，為了達(dá)到最佳的攔截效果，必須采用CFD技術(shù)進(jìn)行流場(chǎng)的模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)，采取增設(shè)導(dǎo)流板等措施，使煙氣流動(dòng)狀況滿足大顆?；覕r截的需求。

3 案例介紹

3.1 項(xiàng)目概況

廣東某沿海2×1036MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組SCR 煙氣脫硝設(shè)備于2009年投入運(yùn)行。由于煙氣中灰分濃度較高，且催化劑的堵塞和磨損現(xiàn)象較為明顯。電廠在2016年6月進(jìn)行了脫硝提效改造，由某環(huán)保技術(shù)公司實(shí)施，具體工程內(nèi)容為流場(chǎng)和氨噴射系統(tǒng)優(yōu)化改造，以及增設(shè)大顆?；覕r截網(wǎng)裝置，以滿足脫硝超低排放運(yùn)行的要求。

3.2 流體仿真模擬

由該公司自主設(shè)計(jì)的大顆粒灰攔截網(wǎng)為褶皺式，濾網(wǎng)材料使用涂層不銹鋼沖孔板(見圖3)，耐磨和耐磨損性能優(yōu)越。由于攔截網(wǎng)為多孔濾網(wǎng)，每層濾網(wǎng)上都有成千上萬個(gè)孔，如果按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模，需要極其龐大的網(wǎng)格，無法進(jìn)行計(jì)算，因此需要對(duì)攔截器進(jìn)行等效模擬。具體的等效模擬是采用多尺度模擬方法，分別對(duì)攔截器單個(gè)微孔單元和多個(gè)微孔單元的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并最終進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化回歸分析確定攔截器的參數(shù)。SCR系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 濾網(wǎng)樣式

該電廠SCR脫硝裝置在未加裝攔截網(wǎng)和流場(chǎng)優(yōu)化改造之前，存在著煙氣速度、氨氣濃度分布不均勻等問題，催化劑的堵塞和磨損現(xiàn)象較為嚴(yán)重。優(yōu)化前后的首層催化劑各參數(shù)對(duì)比見表1。

模擬統(tǒng)計(jì)了100%BMCR(首層催化劑上游平均速度3.85m/s)工況下系統(tǒng)各分段的壓力損失情況如表2所示。

圖4 SCR系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)圖示意

表1 優(yōu)化前后首層催化劑煙氣參數(shù)對(duì)比

項(xiàng) 目煙氣速度偏差/%氨氣濃度偏差/%溫度分布偏差/℃入射角偏差/°優(yōu)化前20．542．210．230．1優(yōu)化后5．23．21．58．85

表2 100%BMCR工況SCR系統(tǒng)分段壓降CFD模擬結(jié)果

項(xiàng) 目壓降/Pa煙道壓力損失298攔截器32首層催化劑上游～底層催化劑下游350(三層)SCR系統(tǒng)680

省煤器出口水平煙道處速度設(shè)置攔截器流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果分布如圖5～6所示。從圖中可以看出，增設(shè)攔截器后彎頭上游(即攔截器后斷面)的速度分布均勻性有所改善，這是因?yàn)閿r截器屬于多孔結(jié)構(gòu)，具有氣流均布的作用。在未考慮飛灰、內(nèi)支撐件的影響時(shí)，攔截器產(chǎn)生的壓力損失為32Pa，對(duì)脫硝系統(tǒng)影響較小。

圖5 未設(shè)置攔截器時(shí)速度分布圖

圖6 設(shè)置攔截器時(shí)速度分布圖

3.3 工程效果

根據(jù)流場(chǎng)模擬結(jié)果，在工程實(shí)施工程中，攔截網(wǎng)采用不銹鋼穿孔板，網(wǎng)孔為正六邊形，網(wǎng)孔尺寸選擇為4mm，以攔截顆粒直徑較大的飛灰。為保證煙氣流通面積，濾網(wǎng)的通孔面積應(yīng)為煙道截面積的1.1～1.2倍左右。為防止濾網(wǎng)堵塞及侵蝕造成的局部流速過高，濾網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了低流速設(shè)計(jì)、加裝空氣炮吹灰裝置。空氣炮通過攔截網(wǎng)前后的壓差來控制啟停，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吹灰，攔截裝置必須裝備不少于8 套差壓(差壓變送器)測(cè)點(diǎn)，信號(hào)送至集控室DCS，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方及就地手自動(dòng)控制。

攔截網(wǎng)安裝如圖7所示。

圖7 攔截網(wǎng)安裝示意

大顆?；覕r截網(wǎng)投運(yùn)后，煙氣中大顆粒灰得到有效攔截，催化劑及空預(yù)器的堵塞現(xiàn)象得到控制；攔截網(wǎng)前后的壓差大約在50Pa左右，不增加功耗。這將大大有助于煙氣SCR脫硝設(shè)備的正常運(yùn)行，尤其是在超低排放要求下，控制氨逃逸，延長催化劑使用壽命，降低引風(fēng)機(jī)電耗等各方面起到良好作用。該電廠兩臺(tái)百萬機(jī)組上大顆?；覕r截網(wǎng)的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)燃煤電廠在這個(gè)領(lǐng)域的空白，可資借鑒。

4 結(jié)語

燃煤電廠煙氣中攜帶的大顆?；覍?duì)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的影響很大，已經(jīng)逐步受到電廠的重視。優(yōu)化省煤器灰斗對(duì)大顆粒灰有一定的去除效果，但并不能完全去除大顆?；?，加裝褶皺式大顆?；覕r截網(wǎng)可以有效增大攔截面積，大顆?；覕r截效果顯著。低流速和空氣炮清灰裝置雙重措施的組合設(shè)計(jì)可以有效解決攔截網(wǎng)的堵塞。實(shí)踐表明，大顆粒灰攔截網(wǎng)可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，在我國燃煤電廠內(nèi)有廣泛的應(yīng)用前景。

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