汪洋，胡永鋒

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)預(yù)防大顆粒灰堵塞方法

汪洋，胡永鋒

(中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

大顆?；姨貏e是爆米花灰的堵塞，是導(dǎo)致高塵布置的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)失去脫硝作用的主要原因之一，同時(shí)大顆?；叶氯呋瘎┐矊訃?yán)重影響鍋爐主機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。介紹了國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的應(yīng)對(duì)措施及先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)例舉了國(guó)內(nèi)外成功的工程案例，為預(yù)防大顆?；叶氯峁┯幸娼梃b。

燃煤電站;選擇性催化還原;脫硝;大顆?；?堵塞

我國(guó)“十二五”期間將NOx排放濃度首次列入約束性指標(biāo)體系，要求在2010年的基礎(chǔ)上減少10%，NOx排放已經(jīng)成為我國(guó)“十二五”污染物減排的重點(diǎn)［1］。在深化節(jié)能減排背景下，脫硝事業(yè)蓬勃發(fā)展，據(jù)環(huán)境保護(hù)部預(yù)測(cè)，到2015年我國(guó)需要新增煙氣脫硝容量8.17億kW［2］，為了實(shí)現(xiàn)新頒布《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)的要求，現(xiàn)役7.07億kW火電機(jī)組中，約有90%的機(jī)組需要進(jìn)行脫硝改造［3］，即幾乎所有電站鍋爐需要加裝脫硝裝置，而我國(guó)執(zhí)行的世界上最為嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)也決定了絕大部分燃煤電站鍋爐需要采用SCR脫硝裝置。由于我國(guó)電站鍋爐的SCR脫硝裝置全部采用高塵布置，所以大顆?；叶氯麑⑹峭{機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行重要因素，如何應(yīng)對(duì)大顆粒灰對(duì)脫硝系統(tǒng)帶來(lái)的危害，是擺在我們面前緊迫的課題。SCR法脫硝技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)得到了長(zhǎng)期廣泛的應(yīng)用，并且積累了成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及事故應(yīng)對(duì)措施，充分借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，是應(yīng)對(duì)大顆粒灰堵塞的捷徑。

1 大顆粒灰造成的危害

大顆?；姨貏e是“爆米花灰”，是一種低密度灰，疏松多孔，密度多小于水，外形不規(guī)則，很容易達(dá)到10mm及以上的尺寸，多形成于鍋爐受熱面表面，較難通過(guò)煙道的擴(kuò)展降低流速手段使其沉降。無(wú)論是蜂窩式催化劑還是平板式催化劑，大顆粒灰只要被煙氣攜帶到催化劑表面均會(huì)導(dǎo)致催化劑的堵塞，削弱整套脫硝系統(tǒng)的脫硝能力，一旦部分通道被堵塞，灰的堵塞面積會(huì)快速增加，致使SCR系統(tǒng)失去效用。我國(guó)燃煤機(jī)組燃用煤種多變，部分鍋爐燃燒狀況惡化，容易產(chǎn)生爆米花灰，而且我國(guó)脫硝裝置幾乎全部為高塵布置的無(wú)旁路系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象會(huì)直接導(dǎo)致主機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)。為了防止大顆粒飛灰的堵塞，在脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)的一般做法是在催化劑上游應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)灰斗、設(shè)置濾網(wǎng)等預(yù)除塵設(shè)備，以去除煙氣中攜帶的大顆粒飛灰。

2 防止大顆?；椅：Φ募夹g(shù)及措施

2.1 省煤器灰斗空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化［4］

省煤器灰斗優(yōu)化主要借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)行，通過(guò)優(yōu)化灰斗外形，組織流場(chǎng)依靠慣性將大顆粒灰引至灰斗，將大部分大顆?；曳蛛x。圖1為常規(guī)灰斗設(shè)計(jì)，省煤器出口后墻與灰斗邊緣處于同一平面，這樣設(shè)計(jì)導(dǎo)致部分大顆?；译S煙氣進(jìn)入水平煙道，通過(guò)擴(kuò)大省煤器灰斗，將大顆?；乙粱叶穫?cè)壁對(duì)其捕集是目前國(guó)外流行的灰斗設(shè)計(jì)(見圖2)，大顆?；遗c灰斗碰撞后基本被灰斗捕集。

圖1 常規(guī)省煤器灰斗設(shè)計(jì)

圖2 將灰斗加大后的速度矢量圖和大灰粒子軌跡

在不具備對(duì)省煤器出口及灰斗外形進(jìn)行優(yōu)化的條件下，在省煤器出口灰斗之上加裝導(dǎo)流擋板便成為一種行之有效的手段。國(guó)外在應(yīng)對(duì)大顆?；叶氯芯糠矫孀隽溯^多工作。在SCR之前收集大顆粒灰的最佳位置在省煤器出口，主要原因是通過(guò)灰斗速度相對(duì)較低，同時(shí)煙氣向下流動(dòng)然后流動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，灰顆粒在初始動(dòng)力和重力的共同作用下，顆粒被慣性分離出來(lái)，沒有擋板的顆粒較多的進(jìn)入水平煙道，前往催化劑床層，加裝擋板后，大部分顆粒被導(dǎo)流至灰斗壁面，與灰斗壁面碰撞后落入灰斗，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大顆粒灰的有效收集。

2.2 加裝大灰濾網(wǎng)

2.2.1 濾網(wǎng)壽命［5］

濾網(wǎng)的侵蝕速度決定了其使用壽命，與灰的濃度以及煙氣流速等因素關(guān)系密切，侵蝕方程如下:

式中:E為濾網(wǎng)侵蝕速率;C為常數(shù)項(xiàng);M為固體流率(灰負(fù)荷);V為煙氣速度;n指數(shù)項(xiàng)(n～2.5)。

依據(jù)濾網(wǎng)侵蝕速率曲線，以開孔率65.9%為基準(zhǔn)壽命，過(guò)流速率100%和133%比較，在百分百負(fù)荷下，開孔率減到50%，侵蝕速度增加100%;如果過(guò)流速率增加到133%，在開孔率66%情況下侵蝕速率超過(guò)100%，開孔率50%條件下侵蝕速率將超過(guò)300%，因此應(yīng)用大開孔率及小過(guò)流速率的濾網(wǎng)其壽命相對(duì)較長(zhǎng)，是濾網(wǎng)選型主要考慮的方向。

通過(guò)試驗(yàn)以及工程實(shí)踐總結(jié)的濾網(wǎng)材料對(duì)過(guò)流速度的耐受情況，未涂覆耐磨材料的304不銹鋼平板濾網(wǎng)適用流速范圍在15m/s以下，未涂覆耐磨材料的304不銹鋼屋脊濾網(wǎng)適用流速范圍20m/s以下，未涂覆耐磨材料的奧氏體不銹鋼屋脊濾網(wǎng)適用流速范圍20～25m/s，涂覆耐磨材料的304不銹鋼屋脊濾網(wǎng)適用流速范圍25m/s以上。

2.2.2 濾網(wǎng)形式

濾網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)形式分平板式和屋脊式兩種。平板式濾網(wǎng)由具有一定開孔率的金屬網(wǎng)在一個(gè)平面上拼接而成，布置在省煤器灰斗位置。平板式濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，加工制作方便，適用于安裝及使用空間受限的情況。屋脊式濾網(wǎng)由多片平板濾網(wǎng)組成，搭接成一定角度組成系列板組。由于屋脊式濾網(wǎng)較平板式的過(guò)濾面積大幅增加，煙氣通過(guò)濾網(wǎng)法線的流速小于平板式截面的平均流速，所以增強(qiáng)了抗侵蝕能力，使用壽命會(huì)大為延長(zhǎng)，同時(shí)屋脊式濾網(wǎng)的壓損也較低，400℃下過(guò)流速度15m/s時(shí)其壓損約50Pa，所以屋脊式濾網(wǎng)具有長(zhǎng)壽命低壓損的優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用計(jì)算流體技術(shù)對(duì)平板式和屋脊式濾網(wǎng)分別進(jìn)行數(shù)值模擬研究，計(jì)算區(qū)域從省煤器出口至水平煙道，安裝位置位于省煤器灰斗出口。結(jié)果表明，平板式濾網(wǎng)速度場(chǎng)不盡如人意，速度和灰的濃度場(chǎng)分布均勻度差，部分區(qū)域速度接近30m/s，過(guò)高的過(guò)流速度和不均勻的灰負(fù)荷將使濾網(wǎng)的壽命迅速下降，而屋脊式速度和灰的濃度場(chǎng)分布均勻度表現(xiàn)出色，速度場(chǎng)分布較平板式優(yōu)勢(shì)明顯，同時(shí)灰負(fù)荷較為均勻，對(duì)于延長(zhǎng)濾網(wǎng)的使用壽命大有益處。

2.2.3 濾網(wǎng)防堵及防侵蝕措施

大部分濾網(wǎng)堵塞是由于大顆?；页叽缟陨源笥跒V網(wǎng)開孔尺寸，而且灰的外形呈楔形形狀，不通過(guò)清理手段很難去除，一旦發(fā)生大面積堵塞，局部流速迅速升高，高速區(qū)的濾網(wǎng)首先被侵蝕損壞。防止濾網(wǎng)堵塞的手段從三個(gè)方面考慮，即采用低流速設(shè)計(jì)、加裝吹灰器或設(shè)置振打裝置。目前國(guó)外公司通過(guò)應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)手段優(yōu)化灰斗流場(chǎng)，將流場(chǎng)優(yōu)化與濾網(wǎng)相結(jié)合手段最大限度地去除LPA以及延長(zhǎng)濾網(wǎng)壽命。將傳統(tǒng)電除塵器極板振打裝置用于濾網(wǎng)振打(如圖3)，振打軸安裝一系列成角度的振打錘，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)振打功能。此外，采用拉索式振動(dòng)除灰方式也是一種優(yōu)良的技術(shù)方案，在濾網(wǎng)底部鏈接拉索，振打時(shí)將拉索拉緊，濾網(wǎng)抬起，到一定高度解除拉索拉力，依靠濾網(wǎng)與撞擊塊的振動(dòng)作用來(lái)清除濾網(wǎng)的堵灰。目前，該技術(shù)已經(jīng)在國(guó)外45臺(tái)機(jī)組上得到了應(yīng)用［4］，運(yùn)行狀況良好。

圖3 濾網(wǎng)振打裝置示意

3 案例分析

美國(guó)自1994年第一臺(tái)SCR反應(yīng)器投運(yùn)以來(lái)，發(fā)生了為數(shù)眾多的大顆?；姨貏e是“爆米花”灰的堵塞事件，直接導(dǎo)致了催化劑床層堵塞損壞，壓降增加，甚至導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。近些年來(lái)通過(guò)加裝適宜的大灰濾網(wǎng)攔截捕集大顆?；页蔀槭钟行У氖侄巍?/p>

3.1 美國(guó)門羅電廠800MW機(jī)組案例

美國(guó)門羅電廠建設(shè)4×800MW級(jí)燃煤機(jī)組，自從2002年起安裝SCR裝置以來(lái)，應(yīng)用了多種手段解決大顆?；疫M(jìn)入催化劑床層的問(wèn)題都未奏效，EVONIK能源服務(wù)公司在2008年初為其4號(hào)機(jī)組提供了大灰濾網(wǎng)，改造過(guò)程中應(yīng)用了CFD技術(shù)進(jìn)行了方案優(yōu)化。該機(jī)組帶有省煤器旁路，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降低、進(jìn)入催化劑床層的煙氣溫度不能符合要求時(shí)，將通過(guò)省煤旁路將煙氣引入催化劑床層，采用數(shù)值模擬分析了省煤器旁路啟閉情況下的流場(chǎng)，應(yīng)用優(yōu)化的導(dǎo)流板組、靜態(tài)混合器以及屋脊式濾網(wǎng)等技術(shù)完成了對(duì)該機(jī)組的改造。

由于4號(hào)機(jī)組改造后出色的表現(xiàn)，參照4號(hào)機(jī)組的改造方案3號(hào)機(jī)組和1號(hào)機(jī)組分別于2008年秋季及2009年初進(jìn)行了改造。應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)手段優(yōu)化以及優(yōu)秀的大灰濾網(wǎng)方案可以完全避免大顆?；覍?duì)SCR反應(yīng)器的損壞。

3.2 國(guó)內(nèi)某30萬(wàn)機(jī)組濾網(wǎng)案例

國(guó)內(nèi)某廠2×350MW機(jī)組與主機(jī)同時(shí)配備SCR脫硝裝置，由于鍋爐廠沒有對(duì)省煤器灰斗進(jìn)行任何優(yōu)化工作，所以工程公司在省煤器灰斗出口和反應(yīng)器上升煙道結(jié)合處設(shè)置大灰濾網(wǎng)，濾網(wǎng)下方設(shè)置灰斗，匯集攔截下來(lái)的大顆粒灰，由于濾網(wǎng)傾斜設(shè)置，大灰濾網(wǎng)開孔率56%，開孔節(jié)距5mm，濾網(wǎng)面積28.1m2，平均速度僅11.24m/s，其較低的設(shè)計(jì)速度保障了濾網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，且低流速條件下壓降僅為50Pa左右。

該脫硝裝置流場(chǎng)參數(shù)要求高，導(dǎo)流板組復(fù)雜，濾網(wǎng)安裝空間狹小，加裝平板式濾網(wǎng)成為唯一的選擇。對(duì)于灰斗沒有采取任何措施的情況下，灰斗出口水平煙道和反應(yīng)器上升煙道彎頭處安裝LPA Screen是推薦的解決方案。

4 結(jié)語(yǔ)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)手段的灰斗優(yōu)化與大灰濾網(wǎng)的應(yīng)用具有良好的大灰攔截能力，確保了SCR脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于鍋爐制造商應(yīng)將省煤器灰斗優(yōu)化與SCR反應(yīng)器綜合考慮，對(duì)于省煤器灰斗沒有采取任何措施情況下，工程公司應(yīng)考慮在省煤器灰斗出口水平煙道與反應(yīng)器上升煙道彎頭處設(shè)置濾網(wǎng)及灰斗，以確保反應(yīng)器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國(guó)外多年的SCR脫硝裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)告訴我們，應(yīng)用灰斗優(yōu)化及大灰濾網(wǎng)結(jié)合手段對(duì)攔截大顆?；曳乐勾呋瘎┒氯鞘钟行У氖侄巍?/p>

［1］中央政府網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù).中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要［EB/OL］.http://www.gov.cn/2011lh/content _1825838.htm，2011-03-16.

［2］穆運(yùn)周.對(duì)《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)(二次征求意見稿)》的點(diǎn)評(píng):脫硫脫銷環(huán)保行業(yè)機(jī)遇中的發(fā)展［EB/OL］.http://vip.stock.finance.sina.com.cn/q/go.php/vReport_Show/kind/search/ rptid/933467/index.phtml，2011-04-19.

［3］GB 13223－2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［4］Anthony Ryan，Bryce St John.SCR System Design Considerations for Popcorn Ash［M］.The Babcock＆Wilcox Company，2003.

［5］Gretta W J.A Proven，Successful Approach to the Design of SCR Large Particel Popcorn Ash Screens［C］.Foster Wheeler North A-merica Corp，2005.

Methods to mitigate effects of large particle ash on Selective Catalytic Reduction systems of coal－fired power plant

There were a number of events in the industry in which catalyst layers of SCR systems have become severely plugged with LPA also sometimes referred to as popcorn ash.Such pluggage results in increased pressure drop across the SCR reactor，decreased catalyst performance，severe erosion damage of catalyst，large particle ash even forced the boiler off line.Some case of home and abroad were analyzed.The technology coping with LPA were introduced，which offered useful reference for De－NOxdevelopment.

coal－fired power plant;SCR;denitrification;large partical ash;plugging

X701.7

B

1674－8069(2012)017－03

2011-11-19;

2012-03-17

汪洋(1980-)，男，河北保定人，工程師，主要從事電力環(huán)保技術(shù)的研發(fā)及數(shù)值模擬研究工作。E－mail:wangyang@chec.com.cn