燃煤電廠實(shí)際煙氣脫硝催化劑性能檢測中試平臺建設(shè)與應(yīng)用

秦剛?cè)A，童小忠，陳 彪，王 潔，黃斐鵬

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311121）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)超高壓輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及“深度調(diào)峰”政策的全面實(shí)施[1-3]，部分地區(qū)燃煤電廠負(fù)荷率嚴(yán)重下降、運(yùn)行小時數(shù)驟減，機(jī)組長期處于低負(fù)荷或頻繁變負(fù)荷狀態(tài)下，引起鍋爐煙氣量、煙溫、煙氣組成不穩(wěn)定等問題，對脫硝催化劑理化性質(zhì)和壽命造成破壞。搭建SCR（選擇性催化還原）脫硝催化劑[4]中試實(shí)驗(yàn)[5-6]平臺有利于實(shí)現(xiàn)對進(jìn)廠前、運(yùn)行中及末期脫硝催化劑開展脫硝各項(xiàng)性能指標(biāo)的檢測,同時準(zhǔn)確預(yù)判脫硝催化劑剩余使用壽命[7-9]，為末期脫硝催化劑再生、棄用及新催化劑的采購提供數(shù)據(jù)依托。

王康等[10]搭建了由供氣系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、檢測平臺、吸附裝置等4 部分組成的SCR 脫硝催化劑檢測與性能評價的試驗(yàn)平臺；吳國潮等[11]利用包含煙氣發(fā)生器、煙氣加熱系統(tǒng)等設(shè)備的全尺寸SCR 催化劑性能評價系統(tǒng)對催化劑進(jìn)行性能及壽命的評估。

目前，國內(nèi)外SCR 脫硝催化劑性能實(shí)驗(yàn)平臺均采用配氣或燃燒天然氣的方式模擬燃煤煙氣，此方式只能對小尺寸催化劑模塊進(jìn)行測試，不能準(zhǔn)確反映全尺寸催化劑的實(shí)際工作狀態(tài)；并且這類裝置只適合在特定的原煙氣條件下開展實(shí)驗(yàn)，無法模擬燃煤電廠實(shí)際運(yùn)行工況下因負(fù)荷變動對催化劑產(chǎn)生的影響，也無法模擬實(shí)際煙氣濕度、煙氣中顆粒物及重金屬、堿土金屬、鹵素離子[12-14]等對催化劑理化和工藝特性的影響[15]。因此，有必要搭建利用燃煤電廠實(shí)際煙氣作為試驗(yàn)煙氣的脫硝催化劑性能測試平臺，更準(zhǔn)確地檢測催化劑工藝特性，掌握催化劑全壽命周期內(nèi)各時期的活性，建立更精確的催化劑失活曲線，預(yù)測催化劑剩余使用壽命。同時可利用實(shí)際煙氣性能測試平臺開展脫硝系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

1 中試平臺設(shè)計(jì)

依托某發(fā)電廠3 號機(jī)組，自機(jī)組A 側(cè)脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道引出一路旁路煙氣作為原煙氣，通過SCR 脫硝催化劑中試裝置后的尾部煙氣回流至機(jī)組A 側(cè)除塵器進(jìn)口煙道。SCR 脫硝催化劑位置見圖1。

圖1 SCR 中試裝置位置

自機(jī)組省煤器出口落灰段后、A 側(cè)脫硝反應(yīng)器進(jìn)口前煙道引出一股工況煙氣進(jìn)入中試裝置。原煙氣通過換熱系統(tǒng)與循環(huán)冷卻水換熱調(diào)整煙溫后進(jìn)入脫硝系統(tǒng)。同時，在原煙氣引出口與裝置換熱器進(jìn)口前布置一路旁路，旁路上安裝一套除塵系統(tǒng)，（部分）煙氣可通過旁路進(jìn)行除塵，調(diào)節(jié)煙氣中顆粒物濃度。顆粒物落入除塵器底部灰斗中，當(dāng)灰斗內(nèi)顆粒物收集高度達(dá)到高限位時，自動卸料。煙氣經(jīng)換熱后可通過配氣系統(tǒng)進(jìn)行配氣，制備后的原煙氣進(jìn)入脫硝系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)包括噴氨裝置、氨/稀釋風(fēng)混合器、脫硝反應(yīng)器（并聯(lián)2 臺）、吹灰器等。經(jīng)脫硝系統(tǒng)后的凈煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)回流至機(jī)組A 側(cè)除塵器進(jìn)口煙道。

2 工藝系統(tǒng)介紹

SCR 脫硝催化劑中試裝置主要由除塵系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)等部分組成。SCR脫硝催化劑中試裝置系統(tǒng)見圖2。

圖2 SCR 中試裝置系統(tǒng)

2.1 除塵系統(tǒng)

在原煙氣引出口與換熱器進(jìn)口旁路煙道上布置一臺立式電除塵器，并于脫硝反應(yīng)器出口布置一臺高溫引風(fēng)機(jī)，利用引風(fēng)機(jī)風(fēng)壓平衡系統(tǒng)阻力，同時起到輸灰作用，保證中試平臺長時間穩(wěn)定運(yùn)行。除塵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需滿足以下幾點(diǎn)：

（1）立式電除塵器底部設(shè)計(jì)灰倉，灰倉內(nèi)有高料位計(jì)和低料位計(jì)，料位計(jì)輸出信號與灰倉卸灰口卸灰裝置相連接，自動控制灰倉中的粉煤灰存儲量。當(dāng)存灰量過大時，高料位計(jì)向卸料裝置發(fā)送開啟信號，卸灰裝置啟動；當(dāng)存灰量過小時，低料位計(jì)向卸灰裝置發(fā)送關(guān)停信號，卸灰裝置關(guān)閉。

（2）立式電除塵器頂部安裝振打裝置，定時對除塵器內(nèi)部進(jìn)行振打，清除積灰。

（3）電除塵內(nèi)部煙氣流速小于5 m/s，保證電除塵器除塵效率。

（4）通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)頻率，控制進(jìn)入SCR 中試平臺的煙氣量在450～500 m/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），以控制脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速小于5 m/s，保證煙氣在脫硝反應(yīng)器內(nèi)的停留時間。

（5）引風(fēng)機(jī)出口管路管徑可適當(dāng)縮小，從而提高煙氣流速，有利于攜帶粉煤灰回流至鍋爐。

2.2 換熱系統(tǒng)

中試裝置內(nèi)換熱系統(tǒng)由管式換熱器、循環(huán)冷卻水箱及各管路和閥門組成。通過調(diào)節(jié)換熱器進(jìn)水量來控制換熱器出口煙氣溫度，換熱器出口可控?zé)煖胤秶鸀?80～380 ℃。

2.3 配氣系統(tǒng)

煙氣配氣系統(tǒng)布置在管式換熱器出口煙道與氨噴射煙道之間，可通過配氣預(yù)留口向原煙氣中添加特定成分，調(diào)節(jié)原煙氣組分，開展重金屬、堿土金屬、鹵素離子等對催化劑理化和工藝特性的影響等實(shí)驗(yàn)。

2.4 脫硝系統(tǒng)

中試裝置內(nèi)脫硝系統(tǒng)由氨/稀釋風(fēng)混合器、氨/煙氣混合器、脫硝反應(yīng)器（2 臺）及各管道、閥門組成。每側(cè)反應(yīng)器分3 層，每層反應(yīng)器可裝填催化劑規(guī)格為150 mm×150 mm×（600～1 200）mm。氨氣和稀釋風(fēng)均從3 號機(jī)組氨氣、稀釋風(fēng)母管引出，經(jīng)氨/稀釋風(fēng)混合器混合均勻后噴入中試煙道，與原煙氣混合后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器。經(jīng)脫硝處理后的凈煙氣回流至3 號機(jī)組A 側(cè)電除塵進(jìn)口煙道。脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意：

（1）兩側(cè)脫硝反應(yīng)器頂部安裝吹灰裝置，定期吹灰，防止催化劑內(nèi)部及反應(yīng)器側(cè)壁積灰。

（2）兩側(cè)脫硝反應(yīng)器底部設(shè)計(jì)清灰口，以便于在裝置停運(yùn)期間清理反應(yīng)器底部積灰。

（3）因本平臺可用于后期SCR 脫硝催化劑性能檢測和壽命管理，脫硝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡可能便于催化劑的拆卸，可采取側(cè)開門的方式拆裝催化劑。

3 工藝特性指標(biāo)檢測

通過本SCR 脫硝催化劑中試平臺可對脫硝催化劑脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器壓降等工藝特性指標(biāo)進(jìn)行檢測，詳見表1。

表1 分項(xiàng)指標(biāo)及測試方法

同時可在實(shí)驗(yàn)室檢測脫硝催化劑幾何特性（比表面積、開孔率等）和理化指標(biāo)（化學(xué)成分、耐磨強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等）。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 催化劑性能檢測

取已在國內(nèi)某裝機(jī)容量為330 MW 的燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)上運(yùn)行20 000 h 的脫硝催化劑和結(jié)構(gòu)、成分與之相同的新鮮脫硝催化劑作為樣本，在本SCR 脫硝催化劑中試裝置上進(jìn)行脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器壓降等性能指標(biāo)的檢測。

分別將舊催化劑和新鮮催化劑放入SCR 脫硝催化劑中試裝置脫硝反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)整脫硝反應(yīng)器入口煙氣溫度，噴氨氨/氮比設(shè)定為0.9。測試工況與結(jié)果見表2。

表2 新、舊催化劑測試工況和結(jié)果

如表2 所示，在控制工況條件相似條件下，舊催化劑脫硝效率下降3.8%，氨逃逸率上升0.91 mg/m3；SO2/SO3轉(zhuǎn)化率有所下降，可能由于舊催化劑表面積下降，催化劑通道及微孔堵塞造成[16]；舊催化劑阻力較新鮮催化劑略微上升。

4.2 爐效影響及成本費(fèi)用分析

分別對4.1 小節(jié)完成的2 次催化劑性能試驗(yàn)進(jìn)行鍋爐效率影響分析，分析結(jié)果見表3。

表3 鍋爐效率影響分析

經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)平臺啟用時，對原機(jī)組造成的鍋爐熱損失不大于0.01%。

利用該真實(shí)煙氣中試裝置開展一次全尺寸脫硝催化劑性能檢測成本費(fèi)用如表4 所示。

表4 成本費(fèi)用分析

5 結(jié)語

本文搭建的實(shí)際煙氣脫硝催化劑性能測試平臺利用燃煤電廠實(shí)際煙氣作為試驗(yàn)煙氣，可同步實(shí)際煙氣中的CO，CO2和鹵化氫等氣體成分、高濃度的粉煤灰及飛灰中的堿金屬（鈉Na、鉀K等）、堿土金屬（鈣Ca 等）和重金屬（砷As 等）對脫硝催化劑的工藝特性和理化特性造成的影響，催化劑工藝特性和理化特性測試結(jié)果更接近真實(shí)數(shù)據(jù)，能更精確掌握脫硝催化劑的活性和剩余使用壽命，有利于更好地保障燃煤電廠脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。