選擇性催化還原大顆?；覕r截裝置效率及壓降特性實驗研究

岳樸杰，雷 彧，陳 晟，劉小偉，孟 磊，谷小兵

（1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097；2.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）技術(shù)是當前燃煤電廠主流的脫硝手段[1-4]。其中，催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)中的重要組件，其表面活性與使用壽命決定了整個系統(tǒng)的脫硝性能與經(jīng)濟成本[1]。當前SCR脫硝反應器多采用高塵布置，燃煤煙氣中的顆粒物容易導致SCR催化劑的磨損與堵塞，影響其長期穩(wěn)定運行，其中大顆?；沂窃斐蛇@種現(xiàn)象的主要原因之一[3]。大顆?；业牧皆诤撩琢考?，此類顆粒除了容易造成催化劑通道的堵塞外，還會切削催化劑床層引起磨損[5-7]，導致催化劑的脫硝性能及其使用壽命大幅度降低，對整個SCR系統(tǒng)的運行維護造成負面影響，嚴重的堵塞甚至會影響整個發(fā)電機組的正常工作。因此，有必要在大顆?；疫M入催化劑反應器前對其進行攔截。

目前針對大顆?；乙鸬亩氯麊栴}采用的防治措施主要有流場優(yōu)化和加裝大顆粒灰攔截網(wǎng)2類[8-9]。流場優(yōu)化通過增設(shè)擋板以及省煤器灰斗擴容等方式優(yōu)化流場，利用大顆?；易陨響T性將其從煙氣中分離出來[10-12]。有學者通過數(shù)值模擬的方式證明了通過合理布置導流板能夠有效降低催化劑的磨損問題[13-14]。張千等[15]針對省煤器灰斗結(jié)構(gòu)對灰顆粒捕集效率的影響進行了探究，發(fā)現(xiàn)該方案能以較小的壓降阻力實現(xiàn)對灰顆粒的有效攔截。然而，我國電廠空間通常不支持較大規(guī)模的灰斗擴容改造，且該手段對結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高，改造成本也高，不具備在國內(nèi)推廣的普適性。在SCR反應器前側(cè)煙道安裝金屬攔截網(wǎng)可以實現(xiàn)對大顆?；业牟都痆16-19]。相比流場優(yōu)化，該方法的優(yōu)勢在于成本低、攔截效率高且適用于大多數(shù)電廠，具有更廣泛的應用前景[20-22]。其中，攔截效率和壓降是大顆粒灰攔截網(wǎng)設(shè)計過程中最為重要的性能指標，兩者受攔截裝置開孔型式、安裝位置、安裝角度以及煙氣流速等因素的影響[23]。當前針對大顆粒灰攔截裝置效率與壓降的實驗數(shù)據(jù)較為缺乏，對各參數(shù)的影響規(guī)律與機理認識尚不明晰。

本文搭建了一套SCR脫硝裝置冷態(tài)物理模型，并在其省煤器出口處布置大顆?；覕r截網(wǎng)，探究灰斗結(jié)構(gòu)、攔截網(wǎng)安裝位置（角度）、網(wǎng)孔型式、顆粒粒徑以及煙氣流速對于攔截網(wǎng)壓降及攔截效率的影響規(guī)律，為實際燃煤機組SCR脫硝系統(tǒng)大顆?；覕r截裝置的設(shè)計和安裝提供參考。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)實驗平臺

SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)模型試驗臺如圖1所示。SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)試驗平臺主要包括大顆粒灰給料器、布灰器、SCR反應器物理模型、大顆?；覕r截裝置、清灰系統(tǒng)、尾氣處理裝置、引風機以及相應的速度和壓降測量裝置等。該冷態(tài)試驗模型參照國內(nèi)某600 MW燃煤電站設(shè)計，按照1:20的比例進行制作。由于攔截網(wǎng)安裝位置位于SCR反應器前的煙道內(nèi)，SCR反應器對前側(cè)煙道的流場以及顆粒攔截效率幾乎沒有影響，故模型將SCR反應器部分用豎直煙道代替。整個裝置的主體采用有機玻璃進行分段加工組裝而成，其中省煤器灰斗、脫硝灰斗均可拆卸，以便于收集樣品及清掃。大顆?；覕r截網(wǎng)則由不銹鋼金屬板通過激光切割制成。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)冷態(tài)模型實驗臺Fig.1 The experimental platform about cold state model of SCR denitrification system

1.2 大顆?；覙悠?/h3>

大顆?；沂侵溉济哄仩t飛灰中毫米以上級的顆粒，俗稱“爆米花灰”[24]。其形成的原因主要是細小飛灰在換熱面（例如鍋爐水冷壁）上沉積、燒結(jié)形成的結(jié)焦在外力作用下發(fā)生了破碎[6]，并被煙氣攜帶進入煙道。所以，由此產(chǎn)生的大顆?；揖哂行螤畈灰?guī)則且疏松多孔的物理特性[24]。Cherkaduvasala等人[11]通過試驗測得大顆?；业钠骄|(zhì)量為0.223 g，測得的平均表觀密度為534 kg/m3，平均實際密度為2 022 kg/m3。

實驗中大顆?；抑饕苤亓εc曳力作用，根據(jù)相似原理，其固體顆粒相的弗勞德數(shù)Fr及斯托克斯數(shù)St應與實際高溫煙氣中的大顆?；蚁嘟⒖即箢w?；业男纬稍蚝臀锢硖匦?，實驗采用松木顆粒（密度約為400～700 kg/m3）等效模擬大顆?；摇嶒炃皩⑺赡绢w粒破碎，篩分出2～5 mm和5～10 mm 2個粒徑段的顆粒（圖2）。假設(shè)冷態(tài)實驗下的松木顆粒與實際高溫煙氣中的大顆?；叶叩腟t數(shù)相等。取20 ℃空氣動力黏度為1.79×10-5Pa·s，660 K高溫煙氣動力黏度約為3.25×10-5Pa·s，根據(jù)St定義式可計算得出高溫煙氣中的等效固體顆粒密度約為1.82倍松木顆粒密度。這證明使用松木顆粒所得實驗結(jié)果可以指導密度720～1 270 kg/m3的大顆?；业倪\動和攔截規(guī)律。

圖2 松木顆粒實驗樣品Fig.2 Pine particles used in experiments

1.3 實驗條件

1）煙氣流速 為了模擬鍋爐負荷的影響，結(jié)合實際燃煤電廠煙道的流速范圍，選擇了水平煙道位置處11.5、14.0、17.0 m/s 3個流速條件進行實驗。首先，測量不同流速下未安裝攔截網(wǎng)時整個裝置的壓降和灰斗除灰效率，接著測量加裝攔截裝置后二者的變化情況，獲得攔截網(wǎng)對于大顆?；覕r截效率以及壓降的影響。

2）攔截網(wǎng)開孔型式 為了分析攔截網(wǎng)開孔形狀與開孔率的影響，選取正方形、正六邊形和不同長寬比的長條形攔截網(wǎng)進行實驗。攔截網(wǎng)開孔型式如圖3所示。其中，正方形與正六邊形開孔的內(nèi)切圓半徑均為5 mm，長條形的孔型分別為5 mm×10 mm與5 mm×20 mm。攔截網(wǎng)能通過的最大顆粒直徑均為5 mm，將該尺寸定義為攔截網(wǎng)臨界攔截直徑。實際燃煤電廠加裝攔截網(wǎng)時，可通過測量大顆粒灰粒徑分布，選取合適的臨界攔截直徑。

圖3 攔截網(wǎng)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Pore structures of the larger particles ash interceptor

3）攔截網(wǎng)安裝角度及高度 為了驗證攔截網(wǎng)安裝角度及高度的影響，將攔截網(wǎng)的布置角度θ分別設(shè)置為60°、75°、90°（圖4a)），攔截網(wǎng)的高度設(shè)置為10、15、20 cm分別對應水平煙道高度的50%、75%、100%（圖4b)）。

圖4 攔截網(wǎng)安裝方案示意Fig.4 Different installation modes of the interceptor

4）灰斗煙道折角結(jié)構(gòu) 已有研究發(fā)現(xiàn)省煤器灰斗上方煙道折角的長度會顯著影響大顆?；疫\動軌跡以及落入灰斗的概率[15]。為此，實驗采用2種不同煙道折角結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，結(jié)構(gòu)2是在結(jié)構(gòu)1的基礎(chǔ)上，對折角進行了延長，改變了煙氣在灰斗中的流動方向，使得大顆?；腋嗟嘏c左側(cè)壁面發(fā)生碰撞落入灰斗。

圖5 煙道折角結(jié)構(gòu)示意Fig.5 The folding angle structures above the hopper

1.4 實驗流程

首先按照設(shè)計工況選取所用的攔截網(wǎng)并調(diào)整其安裝角度，確保安裝穩(wěn)定后開啟引風機，并通過變頻器逐步增大風機的流量，使水平煙道流速達到實驗設(shè)計值。待風速穩(wěn)定后，通過測壓孔測量各段煙道的壓降情況。隨后以0.5 kg/min的流量向布灰器中添加大顆粒灰樣品，單次實驗加入樣品質(zhì)量為1 kg。觀察大顆?；业臄r截與逃逸情況，待大顆?；曳植挤€(wěn)定后，采用電子天平稱量省煤器灰斗、脫硝灰斗、大顆?；覕r截網(wǎng)、SCR反應器細篩網(wǎng)上的沉積的顆粒質(zhì)量，獲得大顆粒灰在煙道各位置處灰沉積分布情況，并計算出攔截裝置對大顆粒灰的攔截效率。通過對比加裝攔截網(wǎng)前后各測孔的壓降，獲得安裝攔截網(wǎng)導致的壓降增量。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 攔截網(wǎng)開孔形狀的影響

將攔截網(wǎng)安裝在省煤器灰斗出口與煙道壁面呈90°處，安裝高度覆蓋整個煙道截面，測量不同開孔形狀攔截網(wǎng)對大顆?；业臄r截效率和壓降阻力，結(jié)果如圖6所示。

圖6 攔截網(wǎng)開孔形狀對2～5 mm大顆?；覕r截效率和壓降的影響Fig.6 Influence of pore structure on efficiency and pressure drop of the interceptor (2～5 mm large particle ash)

由圖6a)可見，4種開孔形狀的攔截效率接近。其中正方形和正六邊形攔截網(wǎng)的攔截效果略優(yōu)于長條形，兩者壓降也略大于長條形；隨著顆粒釋放量的增加，二者相較于長條形網(wǎng)孔更容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。對于粒徑在5～10 mm的大顆粒灰，由于顆粒尺寸大于臨界攔截直徑并且攔截網(wǎng)覆蓋整個灰斗出口截面，4種開孔形狀攔截網(wǎng)均將該粒徑范圍的大顆?；彝耆珨r截下來。

由圖6b)可見：流速相同時，長條形攔截網(wǎng)所造成的壓降增量明顯小于正方形與六邊形攔截網(wǎng)，且隨著長條形攔截網(wǎng)長寬比（開孔率）增大，壓降增量進一步減小；流速較低時，不同開孔形狀之間壓降差異較小，但隨著流速增大到14.0 m/s以上時，不同開孔形狀之間的壓降差最大達到了100 Pa以上。因長條形攔截網(wǎng)開孔率高，故具有更小的壓降阻力，在流速大于14.0 m/s的煙道區(qū)域，選擇開孔率更高的攔截網(wǎng)開孔形狀是非常有必要的。

2.2 攔截網(wǎng)安裝角度的影響

在攔截網(wǎng)高度為10 cm，煙氣流速分別為11.5、14.0、17.0 m/s的條件下，攔截網(wǎng)角度變化對不同粒徑范圍大顆?；业臄r截效率和壓降的影響規(guī)律如圖7所示。從圖7a)可以看出，在攔截網(wǎng)高度為10 cm時，隨著攔截網(wǎng)安裝角度增大，攔截網(wǎng)對粒徑2～5 mm與5～10 mm的大顆?；业臄r截效率均有一定程度的提升。但是由于該條件下攔截網(wǎng)在省煤器灰斗出口處煙道的覆蓋面積較小，角度變化對攔截效率的影響并不大。5～10 mm的大顆?；彝ㄟ^角度變化，攔截效率最高提升約9%；2～5 mm的大顆?；覕r截效率提升僅約為5%?？梢姡瑪r截網(wǎng)安裝角度變化對于粒徑5～10 mm的大顆?；覕r截效率提升更明顯。這個規(guī)律在攔截網(wǎng)高為15、20 cm的工況下依然成立，攔截網(wǎng)高度越高，角度變化對攔截效率的提升越明顯。當攔截網(wǎng)高度為10 cm，安裝角度從75°增大到90°時，5～10 mm大顆?；业臄r截效率提升約3%；而當高度為20 cm時，安裝角度從75°增大到90°時，5～10 mm大顆?；业臄r截網(wǎng)效率提升接近10%。

圖7 攔截網(wǎng)安裝角度的影響Fig.7 Influence of installation angle of the interceptor on efficiency and pressure drop

從圖7d)中可以看出，隨著安裝角度的增大，攔截網(wǎng)所造成的壓降增也逐漸增大。這是由于安裝角度增大，攔截網(wǎng)迎風面積增加，導致其對流場的擾動逐漸增大。當攔截網(wǎng)安裝角度大于75°時，攔截效率提升不再明顯，但壓降仍隨角度增加而急劇增大。因此，攔截網(wǎng)安裝角度在75°～85°效果較好。

2.3 攔截網(wǎng)高度的影響

攔截網(wǎng)高度對攔截效率及壓降的影響如圖8所示。由圖8a)可見：在煙氣流速為14.0 m/s的條件下，攔截網(wǎng)安裝角度為90°時，隨著攔截網(wǎng)高度的增大，2種粒徑范圍大顆?；业臄r截效率均有所提高；在攔截網(wǎng)安裝角度為75°時，攔截網(wǎng)高度從10 cm增至15 cm時，攔截效率略有增加，但當攔截網(wǎng)高度進一步增至20 cm時，效率開始迅速降低；在攔截網(wǎng)安裝角度為60°時，攔截效率與安裝高度呈負相關(guān)。攔截網(wǎng)效率隨高度下降的原因是當角度布置小于75°時，攔截網(wǎng)高度過大容易導致部分大顆粒灰碰撞在攔截網(wǎng)的背風面，彈入水平煙道而逃逸，從而使得攔截效率下降。

圖8 攔截網(wǎng)高度對攔截效率及壓降的影響Fig.8 Effect of interceptor height on efficiency and pressure drop

由圖8b)可見，攔截網(wǎng)安裝角度為90°時，攔截網(wǎng)所造成的壓降增量隨攔截網(wǎng)高度的增大而增大，壓降增量隨高度的增長呈準線性增長。這是由于在安裝角度一定的情況下，攔截網(wǎng)的迎風面積隨著高度呈線性增長。綜上，攔截網(wǎng)安裝高度的選取需充分考慮安裝角度的影響以及攔截網(wǎng)引起的壓降增量。

2.4 煙氣流速的影響

煙氣流速對于大顆粒灰攔截效率的影響如圖9所示。由圖9可見，所有的工況下煙氣流速的增大均會使得攔截效率有一定程度的下降。對于粒徑在2～5 mm的大顆?；遥敓煔饬魉儆?1.5 m/s增大到17.0 m/s時，其攔截效率下降約10 %。此外，粒徑2～5 mm的大顆?；业臄r截效率下降更為明顯。這是由于粒徑2～5 mm的大顆粒灰隨流性更好，更容易受流速變化影響，并且顆粒動能隨流速增加，與攔截網(wǎng)碰撞更為劇烈，更容易從攔截網(wǎng)的開孔處穿過。流速增加增大了顆粒所受的曳力和顆粒動能，從而增加了顆粒灰從攔截網(wǎng)未遮擋區(qū)域以及網(wǎng)孔穿過的概率，降低了攔截效率。

圖9 煙氣流速對攔截效率的影響Fig.9 Influence of flue gas velocity on interception efficiency

2.5 灰斗煙道折角結(jié)構(gòu)的影響

在流速為14.0 m/s、攔截網(wǎng)高度為15 cm時，2種灰斗煙道折角結(jié)構(gòu)（圖5）下，大顆?；覕r截效率隨安裝角度的變化規(guī)律如圖10所示。由圖10可見，大顆?；覕r截效率均隨安裝角度的增大而增大，證明即便煙道折角結(jié)構(gòu)有所改變，大顆?；覕r截效率隨安裝角度的變化規(guī)律保持不變。由于結(jié)構(gòu)2煙道折角的延長，攔截網(wǎng)安裝角度小于75°時，可避免出現(xiàn)大顆?；易矒魯r截網(wǎng)背面后反彈進入水平煙道的情況，所以其攔截效率并未出現(xiàn)明顯下降。綜上所述，結(jié)構(gòu)2的整體攔截效果比結(jié)構(gòu)1更好，實現(xiàn)其壓降小于150 Pa，且對5～10 mm的大顆?；覕r截效率達到9.5以上。

圖10 2種煙道折角結(jié)構(gòu)下大顆?；覕r截效率Fig.10 The interception efficiency of large particle ash for two folding angle structures

3 結(jié) 論

本文采用冷態(tài)物理模型實驗臺，測量在SCR反應器前加裝大顆?；覕r截裝置后系統(tǒng)的壓降及大顆粒灰攔截效率的變化，探究了灰斗結(jié)構(gòu)、攔截網(wǎng)安裝方式、網(wǎng)孔型式、顆粒粒徑以及煙氣流速對于攔截網(wǎng)壓降及攔截效率的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論。

1）加裝攔截網(wǎng)裝置能實現(xiàn)大顆粒灰的高效攔截。在相同臨界攔截尺寸下，長條形攔截網(wǎng)的壓降阻力明顯小于正方形與正六邊形攔截網(wǎng)。正方形與正六邊形攔截網(wǎng)對于粒徑在2～5 mm的大顆?；覕r截效果更優(yōu)，但長時間運行也更容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2）攔截網(wǎng)安裝角度是影響其壓降與攔截效率的關(guān)鍵參數(shù)。攔截效率會隨著攔截網(wǎng)安裝角度的增大而增大，且攔截網(wǎng)高度越高這一提升效果越明顯（最大可達10%）。安裝角度的增大也會造成壓降的增大。根據(jù)實驗結(jié)果，攔截網(wǎng)安裝角度在75°～85°綜合效果較好。

3）攔截效率隨攔截網(wǎng)高度的變化關(guān)系取決于其安裝角度的大小。當安裝角度在75°～90°時，二者為正相關(guān)；但當安裝角度小于75°時，攔截網(wǎng)高度的增大反而會使得攔截效率有所降低。同時攔截網(wǎng)高度的增大亦會導致攔截裝置壓降阻力的增大。

4）攔截效率與煙氣流速呈負相關(guān)，壓降與流速呈正相關(guān)。延長省煤器灰斗上方煙道折角能在一定程度上提升灰斗對大顆?；业臄r截效率。通過合理選擇攔截網(wǎng)的安裝方式可以實現(xiàn)其壓降小于150 Pa，且對5～10 mm的大顆?；覕r截效率達到9.5以上。