燃煤電廠脫硝催化劑機械損壞原因分析及處理

潘 慶，閆 軍，李佳華

（1.重慶遠達煙氣治理特許經(jīng)營有限公司，四川 重慶 400060；2.內(nèi)蒙古遠達首大環(huán)保有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

0 引言

選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)是目前國內(nèi)燃煤電廠普遍采用的煙氣脫硝技術(shù)[1]，其核心部分是催化劑，催化劑的好壞直接關(guān)系到脫硝裝置的安全和經(jīng)濟運行[2]。本文結(jié)合脫硝催化劑機械損壞的具體技術(shù)問題，分析造成脫硝效率下降的原因，并提出相應(yīng)的解決方案，為燃煤電廠脫硝技術(shù)的應(yīng)用提供一定參考。

1 項目簡介

本文所涉某熱電廠（2×300 MW）煙氣脫硝特許經(jīng)營項目，采用選擇性催化還原脫硝（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）法，雙煙道雙反應(yīng)器無脫硝旁路布置方式，還原劑為液氨。入口氮氧化物NOx濃度按400 mg/Nm3設(shè)計，脫硝效率不小于87.5%，脫硝設(shè)備年平均利用小時數(shù)不小于5 300 h。

脫硝反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口煙道和空氣預(yù)熱器之間，該機組SCR脫硝裝置，每臺催化劑按2+1層設(shè)計。采用18孔蜂窩式催化劑，2015年9月初裝第一、二層催化劑；2017年9月加裝第三層20孔催化劑；2018年8月更換第一、二層18孔催化劑。

2 脫硝存在的問題

2020年初，2號機組A側(cè)入口NOx濃度波動大，在入口NOx濃度未達設(shè)計值的情況下，噴氨閥門開度增加至最大值，出現(xiàn)脫硝效率低、NOx濃度控制困難的現(xiàn)象。脫硝反應(yīng)效果不明顯，可能存在電廠總排口凈煙氣NOx濃度超標、超限的風險。

在2020年7月A級檢修過程中檢查發(fā)現(xiàn)，脫硝催化劑存在嚴重損壞、坍塌、堵塞的現(xiàn)象。A側(cè)第一層催化劑損壞坍塌比較嚴重，A側(cè)第二、三層以及B側(cè)第一、二、三層催化劑均未發(fā)現(xiàn)較嚴重的損壞。催化劑損壞呈現(xiàn)區(qū)域性，反應(yīng)器入口側(cè)靠前墻區(qū)域有兩列催化劑損壞磨損坍塌非常嚴重，蒸汽吹灰行程區(qū)域范圍內(nèi)的損壞坍塌非常嚴重。A側(cè)、B側(cè)三層催化劑均有大面積積灰堵塞現(xiàn)象，迎風面催化劑孔內(nèi)有塊狀的灰樣。催化劑單元表面出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，A側(cè)比B側(cè)嚴重，第一層催化劑比第二、三層嚴重。噴氨格柵、反應(yīng)器入口水平煙道、導(dǎo)流板、催化劑支撐梁、催化劑等處出現(xiàn)大量的飛灰粘結(jié)堆積現(xiàn)象。

該脫硝單層單側(cè)催化劑模塊為6×10排列方式，單個模塊由6×12單元塊組成。模塊尺寸為1 960 mm×966 mm×1 130 mm，單元塊尺寸為150 mm×150 mm×880 mm。在等級檢修過程中發(fā)現(xiàn)，A側(cè)第一層催化劑損壞、坍塌及堵塞現(xiàn)象嚴重，其中損壞催化劑單元塊647塊，坍塌催化劑單元塊1 014塊，A側(cè)第一層催化劑共有10列,第一列催化劑靠反應(yīng)器前墻布置，第十列催化劑靠聲波吹灰器（反應(yīng)器后墻）布置，各列催化劑左側(cè)為3臺蒸汽吹灰器，2號機組脫硝A側(cè)第一層催化劑損壞描述如表1所示。

表1 2號機組脫硝A側(cè)第一層催化劑損壞描述表

3 催化劑損壞原因分析

1）A側(cè)第一層催化劑損壞比B側(cè)嚴重，可能是兩側(cè)流場不均勻，A側(cè)煙氣量較大所致，因此懷疑A側(cè)、B側(cè)煙氣量存在偏流現(xiàn)象。從脫硝裝置運行參數(shù)分析可以看出，A側(cè)的煙氣流量比B側(cè)大，煙氣流速加快，同樣截面情況下，A側(cè)損壞比B側(cè)嚴重。2號機組A側(cè)和B側(cè)煙氣流量統(tǒng)計如表2所示。

表2 2號機組A側(cè)和B側(cè)煙氣流量統(tǒng)計表

2）煙氣中的大顆粒硬質(zhì)灰通過頂部煙道彎頭時，煙氣流速發(fā)生改變，前墻區(qū)域內(nèi)煙氣中的大顆粒硬質(zhì)灰在重力作用下快速下降，致使前墻區(qū)域灰濃度大、硬度大，這是造成前墻區(qū)域催化劑損壞加速的根本原因[3]。損壞位置示意圖如圖1所示。

圖1 損壞位置示意圖

3）同一反應(yīng)器前后墻煙氣流速存在不均勻的現(xiàn)象，在反應(yīng)器內(nèi)容易造成煙氣的混合絮流。通過上層催化劑后容易在中層和下層催化劑之間產(chǎn)生渦流，造成催化劑的非正常損壞。

4）硫酸氫氨沉積在催化劑小孔中，是反應(yīng)器內(nèi)積灰的根本原因，從而引起催化劑堵塞，造成反應(yīng)器局部煙氣流速過快，加快催化劑的損壞和單元塊的坍塌。同時迎風面催化劑孔內(nèi)有塊狀的灰樣，在催化劑單元表面出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象。

5）飛灰中CaO的含量、飛灰粒度等也是反應(yīng)器內(nèi)積灰的原因。CaO含量超標，生成的硫酸鈣附著在催化劑表面，引起催化劑堵塞。堵灰嚴重會造成局部煙氣流速過快，從而造成催化劑的損壞和單元塊的坍塌。

6）催化劑中毒。砷中毒是煙氣中含有三氧化二砷（As2O3）引起的，二砷塵的堆積和三氧化二砷擴散進入催化劑，并在活性和非活性區(qū)域固化，使氣體在催化劑內(nèi)的擴散受阻，微孔結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致催化劑喪失活性。堿金屬Na、K含量超標，導(dǎo)致催化劑表面的活性位接觸，使催化劑活性降低[4]。實際灰樣成分中的Na、K、As2O3分析報告數(shù)值比設(shè)計標準高。

2號機組取樣分析情況如表3所示。由此可見灰樣中Al2O3的含量超過設(shè)計值，使灰硬度超標，從而導(dǎo)致催化劑損壞；堿金屬Na、K含量超標，可能會有化學中毒的風險。

表3 2號機組取樣分析情況 （%）

7）氨逃逸率表計測量不準確。煙氣含塵量大，激光鏡片上積灰嚴重，導(dǎo)致氨逃逸率表計的透光率大幅下降。氨逃逸率表計測量不準確，無法實時提供準確的氨耗量，使運行人員調(diào)整噴氨流量缺乏依據(jù)，無法保證機組安全經(jīng)濟運行。

4 催化劑損壞采取的措施

1）針對檢查的實際情況，在等級檢修過程中，對損壞的脫硝催化劑進行局部更換及疏通，總共更換1 656塊催化劑單元模塊。其中A側(cè)第一層更換1 126塊，第二層更換350塊，第三層更換30塊；B側(cè)第一層更換150塊。

2）聯(lián)系科技公司對脫硝反應(yīng)器進行煙氣流場試驗，及時查找原因，對煙道內(nèi)部導(dǎo)流板等進行相關(guān)改造。利用CFD數(shù)值模擬煙道及反應(yīng)器內(nèi)的流場，如圖4所示。根據(jù)脫硝入口煙道及反應(yīng)器的實際布置情況，依照1∶10的比例制作實物模型，核實煙氣的流程分布情況。根據(jù)模擬的結(jié)果，新增導(dǎo)流板、調(diào)整導(dǎo)流板安裝角度及加裝防磨角鋼[5]，從而達到最優(yōu)的煙氣流動分布、最優(yōu)的氨/煙氣混合性能及最低的壓降。

圖4 流場模擬示意圖

拆除A側(cè)部分導(dǎo)流板，使煙氣均勻地進入反應(yīng)器，確保煙氣流速足夠均勻，并確保反應(yīng)器中第一層催化劑的角度；更換的導(dǎo)流板2與原導(dǎo)流板2相比，改變其尺寸和安裝角度，且前段新增200 mm，實現(xiàn)煙氣以一定的角度擴散；導(dǎo)流板2，3，4處流速較高，需要安裝防磨角鋼。

3）噴氨系統(tǒng)的檢修。檢查噴氨格柵，噴氨格柵支管上方有大量的板結(jié)積灰，噴氨格柵噴嘴部分輕微堵塞，需進行疏通。

4）吹灰器系統(tǒng)檢修。對蒸汽吹灰器進行檢修處理，檢查更換減速機構(gòu)潤滑油和骨架密封；進氣閥檢修處理，檢查耙管噴嘴并校核調(diào)整噴槍行程；對聲波吹灰器的壓縮空氣管路進行檢查、排污；發(fā)音器進行檢查疏通，清理A、B段管壁內(nèi)結(jié)垢物，更換檢查膜片；更換聲波吹灰器破損的保溫。

5）蒸汽管道系統(tǒng)檢修。檢查蒸汽管道及閥門，更換內(nèi)漏的蒸汽母管一次閥，清理蒸汽管道雜質(zhì)；檢查蒸汽疏水閥，清理疏水閥內(nèi)部石墨墊絲圈等雜質(zhì)。

6）硝區(qū)反應(yīng)器就地和遠傳的儀表進行檢查、清理、校驗及更換。

5 檢修前后數(shù)據(jù)對比

機組檢修前，在相同運行工況下，A側(cè)反應(yīng)器差壓與B側(cè)差壓相差約50 Pa。檢修過程中，對脫硝催化劑進行更換和疏通，并對煙道流場進行了改造。機組檢修完畢后，在相同工況下，A側(cè)與B側(cè)差壓基本相同。檢修前后的差壓數(shù)值如圖5所示。

圖5 檢修前后A側(cè)與B側(cè)壓差數(shù)值

等級檢修完畢后，相同工況下液氨耗用率明顯下降，如圖6所示。檢修前，2020年5月液氨耗用率為0.49 g/（kW·h），6月液氨耗用率為0.57 g/（kW·h）；檢修后在相同工況下，8月份液氨耗用率降至0.341 g/（kW·h），9月份液氨耗用率為0.36 g/（kW·h）。

圖6 液氨耗用率

據(jù)統(tǒng)計分析，2號機組檢修前，A側(cè)噴氨調(diào)節(jié)閥自動投運率約為10%，B側(cè)自動投運率約為60%；機組檢修后，A側(cè)、B側(cè)噴氨調(diào)節(jié)閥自動率約為90%，噴氨自動靈敏、可靠。

等級檢修前，5月氨逃逸率約為0.17 mg/Nm3，6月氨逃逸率約為0.28 mg/Nm3；等級檢修后，8月氨逃逸率約為0.06 mg/Nm3，9月氨逃逸率約為0.08 mg/Nm3，氨逃逸明顯減小，氨逃逸率修前修后數(shù)值對比如圖7所示。

圖7 檢修前后氨逃逸率數(shù)值

綜上，等級檢修結(jié)束后，各項數(shù)據(jù)優(yōu)良，滿足生產(chǎn)要求。

6 日常生產(chǎn)標準化管理

1）嚴格執(zhí)行公司制定的運行標準化操作。運行過程的關(guān)注點：鍋爐四管泄漏，需注意不得將水濺入催化劑，SCR系統(tǒng)中不得有液態(tài)水，減少水蒸氣；煙氣中的氨和NOx必須混合均勻；觀察煙氣量，流速變化對催化劑損壞有較大影響；催化劑層的壓降，氨耗量和氨逃逸率需要每天記錄，可通過灰分中氨濃度反應(yīng)氨逃逸率；加強對運行數(shù)據(jù)的分析，有利于SCR系統(tǒng)的運行控制；盡量燃用催化劑技術(shù)協(xié)議中的規(guī)定煤質(zhì)，若燃用其他煤質(zhì)，及時聯(lián)系催化劑廠家，采取相應(yīng)的措施。

2）加強吹灰器管理。依照吹灰廠家的要求進行吹灰操作，確保蒸汽溫度和壓力符合要求；當發(fā)現(xiàn)催化劑層的壓降增加時，需要逐步增加吹灰器的吹灰頻率，建議增加聲波吹灰器的壓力和頻次；在停機前和停機過程中，需要運行吹灰以將停留在催化劑表面的灰分減到最少；蒸汽吹灰的頻次、壓力、蒸汽溫度等參數(shù)在同機組、同負荷、相同煤種下，對吹灰效果進行歷史尋優(yōu)；聲波吹灰氣源滿足要求，保證品質(zhì)，完善聲波吹灰器的保溫；選擇高效節(jié)能清灰系統(tǒng)，提高聲波吹灰的能效，取代蒸汽吹灰器，減少催化劑機械損壞。

3）運行過程中注意控制噴氨總量，防止噴氨過量。當SCR入口煙氣溫度低于最低連續(xù)噴氨溫度時，通過協(xié)調(diào)負荷、調(diào)整燃燒提高SCR入口溫度，如達不到要求，需停止噴氨。在低溫下噴氨短時間運行后，盡快提高機組負荷及煙氣溫度，消除硫酸銨鹽的影響。對氨逃逸測量裝置和NOx測量裝置進行及時校驗或更換。實時進行噴氨量實際值與設(shè)計值的比較，發(fā)現(xiàn)實際氨耗偏高時，進行調(diào)整。隨時對比SCR脫硝裝置出口NOx濃度與脫硫塔出口NOx濃度的差別，判斷NH3/NOx摩爾比分布的均勻性。

4）依照SCR系統(tǒng)運行技術(shù)規(guī)范，定期開展對AIG噴氨的優(yōu)化調(diào)整（每年一次）。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)NOx濃度分布特點優(yōu)化噴氨量，使煙道端面噴氨量分布更加合理，保證SCR出口NOx濃度和氨逃逸能夠均勻分布；定期開展（每季度一次）氨逃逸化學法采樣與分析測試試驗[6]，確保SCR氨逃逸控制在2.5 mg/Nm3以下，減少堵塞風險。

5）高中低負荷下，找出NH3逃逸上限對應(yīng)的當前最大安全脫硝效率，通過效率監(jiān)控氨逃逸，替代NH3-CEMS，提高測量準確性。定期對爐底飛灰進行含氨量監(jiān)測，跟蹤氨逃逸情況。

6）加強對吹灰器設(shè)備維護管理，提高設(shè)備的可靠性。檢查吹灰設(shè)備及蒸汽閥門（疏水閥處雜物清理）、壓縮空氣參數(shù)，避免設(shè)備無效運行和吹灰死角。合理調(diào)整吹灰頻率和吹灰順序，必要時增加吹灰頻率，減緩催化劑持續(xù)堵塞的問題。

7）優(yōu)化配煤方式，配煤摻燒降低入爐煤含硫量和Ca、Na、K的含量。

8）降低進、出口氨氮偏差，進行噴氨優(yōu)化。定量分析影響供氨自動調(diào)節(jié)的因素，明確機組不同負荷工況下對應(yīng)的最大噴氨量限制，防止自動調(diào)整時氨逃逸過大。增加不同運行條件對應(yīng)的噴氨量參考值，供運行人員在手動調(diào)節(jié)時參考，避免過量噴氨。對高硫分煤種，應(yīng)嚴格控制噴氨量，防止過噴氨，控制硫酸氫銨生成量。合理調(diào)整低氮燃燒器運行方式，降低NOx產(chǎn)生量，減輕脫硝裝置運行壓力，避免催化劑超負荷運行。

9）做好定期取樣檢查工作，實時掌握催化劑活性劣化趨勢，評估催化劑活性。

7 結(jié)語

通過對某燃煤電廠脫硝裝置單側(cè)催化劑機械損壞原因進行分析總結(jié)，探索脫硝系統(tǒng)運行調(diào)整、設(shè)備維護的規(guī)律，加強管理與溝通，調(diào)整鍋爐燃燒，消除流場偏差，確保脫硝裝置安全、經(jīng)濟運行。