柳冠青

摘 要：為減輕飛灰對SCR催化劑和空預(yù)器等設(shè)備的負(fù)面影響，在SCR之前設(shè)置煙氣預(yù)除塵裝置，其必要性和意義已經(jīng)逐漸引起行業(yè)內(nèi)的重視。該文分析了燃煤電廠尾部煙氣SCR預(yù)除塵對SCR系統(tǒng)、空預(yù)器和除塵器等工藝環(huán)節(jié)和設(shè)備的影響，并對比分析了基于不同機(jī)理的SCR預(yù)除塵技術(shù)的適用性。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠 SCR預(yù)除塵技術(shù) 適用性

中圖分類號：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0030-03

我國大中型燃煤電廠多數(shù)采用SCR脫硝技術(shù)，鍋爐尾部煙氣中較高濃度的飛灰對于SCR會產(chǎn)生一定的負(fù)面作用，包括導(dǎo)致催化劑堵塞、磨損或中毒，降低脫硝效率，縮短催化劑壽命等。飛灰對SCR下游的空預(yù)器也存在較多不利影響，造成空預(yù)器積灰、堵塞，特別是在硫酸氫銨的作用下更易形成結(jié)垢，導(dǎo)致空預(yù)器換熱效率下降、漏風(fēng)率增大、壓降顯著提高。為了減輕飛灰對SCR催化劑和空預(yù)器等設(shè)備的負(fù)面影響，在SCR之前設(shè)置煙氣預(yù)除塵裝置，其必要性和意義已經(jīng)逐漸引起行業(yè)內(nèi)的重視。該文分析了不同SCR預(yù)除塵技術(shù)的物理機(jī)制，從脫除效率、壓頭損耗、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行對比，指出了不同技術(shù)所適用的實(shí)際場合。

1 SCR預(yù)除塵的意義和價值

我國燃煤電廠的主要除塵裝置通常置于空預(yù)器和濕法脫硫塔之間，SCR脫硝系統(tǒng)、空預(yù)器處于所謂的高灰環(huán)境中，二者以及下游除塵器的運(yùn)行都會受到煙氣中較高濃度飛灰的影響。

1.1 SCR預(yù)除塵對SCR脫硝系統(tǒng)的影響

飛灰對SCR脫硝系統(tǒng)的影響主要首先體現(xiàn)在催化劑方面。較粗的飛灰容易堵塞催化劑孔道、磨損催化劑材料；較細(xì)的飛灰對催化劑的中毒作用比較顯著（尤其是當(dāng)飛灰中的砷、鈣等元素的含量較高時），細(xì)小的飛灰可以直接堵塞催化劑的微觀孔道。

飛灰對SCR的影響最直接的體現(xiàn)是SCR脫硝效率的變化。實(shí)驗研究[1]表明飛灰濃度每升高10 g/m3，脫硝效率下降幅度可達(dá)約2個百分點(diǎn)。中試試驗[2]發(fā)現(xiàn)不同的積灰時長（清灰間隔）對催化劑脫硝活性影響明顯，實(shí)驗催化劑積灰6 h后脫硝效率由94%降為大約82%。根據(jù)此規(guī)律可以估計，在清灰時間為6 h的情況下，當(dāng)預(yù)除塵效率分別為50%和90%時，由于SCR入口粉塵濃度的降低，兩次清灰之間的SCR平均效率將分別提高為91%和92.8%，比無預(yù)除塵情況下的平均效率分別增加3%和4.8%，對于脫硝效率的提高將是立竿見影的。

飛灰對催化劑的磨損導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低甚至結(jié)構(gòu)破壞，常見的損壞形式是催化劑上層的掏空式或針狀破損[3]。另一方面，飛灰對催化劑孔道壁面的過度磨損會導(dǎo)致壁面變薄，嚴(yán)重降低催化劑的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。SCR預(yù)除塵通過降低脫硝系統(tǒng)入口飛灰濃度，將對減緩催化劑結(jié)構(gòu)損壞起到立竿見影的作用，對于延長催化劑適用壽命和后期再生都具有重要意義。

1.2 SCR預(yù)除塵對空預(yù)器的影響

飛灰對空預(yù)器的直接影響主要是在硫酸氫銨的促進(jìn)下引起空預(yù)器積灰和結(jié)垢。SCR存在氨逃逸，并且會促進(jìn)煙氣中SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，氨與SO3反應(yīng)形成硫酸氫銨，在空預(yù)器的中低溫段凝結(jié)形成粘附性特別強(qiáng)的液態(tài)狀，大量粘附飛灰于換熱表面。環(huán)境溫度和機(jī)組負(fù)荷越低，煤的硫含量和SCR的氨逃逸量越高，則空預(yù)器堵塞速度越快?？疹A(yù)器堵塞后其壓降隨之迅速上升，可從設(shè)計壓降約1 kPa上升至2～3 kPa[4-5]，導(dǎo)致漏風(fēng)率、內(nèi)部泄漏率和引風(fēng)機(jī)能耗都顯著增大，降低引風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性，運(yùn)行維護(hù)（如停機(jī)除垢）也成為電廠的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。SCR預(yù)除塵降低了空預(yù)器前煙氣中的粉塵濃度，而且由于輔助降低了硫酸氫銨的生成（SCR預(yù)除塵改善了SCR脫硝效率從而可降低噴氨量及氨逃逸），將直接改善上述狀況。

1.3 SCR預(yù)除塵對主要除塵器的影響

目前燃煤電廠的除塵器以電除塵為主，其他還包括布袋除塵器和電袋除塵器。應(yīng)用SCR前預(yù)除塵技術(shù)后，主力除塵器的入口濃度將明顯降低。相應(yīng)地，電除塵器可以采用更少的電場數(shù)（比集塵面積），占地和廠用電率下降；對布袋除塵器來說，平均運(yùn)行壓降和清灰頻率降低，起到降低廠用電率、延長布袋壽命的作用；對于電袋除塵器，起除塵作用的靜電部分甚至可以取消。

2 SCR預(yù)除塵技術(shù)適用性分析

2.1 飛灰的粒徑分布特征

飛灰的粒徑是決定除塵技術(shù)的設(shè)計/選型的最重要因素之一，燃煤電廠煙氣中飛灰的粒徑范圍通常十分寬泛，從幾十納米級到幾毫米級都有分布。2.5 mm以上的飛灰通常為多孔的爆米花飛灰，爆米花飛灰占總飛灰量的5%～10%左右。爆米花飛灰由于尺寸與SCR催化劑流道尺寸相近，因此容易直接堵塞催化劑孔道。稍細(xì)的飛灰雖然不能直接形成堵塞，但質(zhì)量濃度比爆米花飛灰大幾倍以上，并且可以通過搭橋的方式造成催化劑孔道堵塞。文獻(xiàn)報道以及作者實(shí)測的國內(nèi)部分燃煤電廠的飛灰粒徑數(shù)據(jù)表明，我國燃煤電廠飛灰粒徑分布概率密度（PSD）峰值粒徑普遍在60 μm以上，亦有較大比例的電廠100 μm以上[6-9]。較粗的粒徑分布有利于以較低的代價獲得較高的除塵效率，從而使得SCR預(yù)除塵技術(shù)具有較高的可行性、良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和規(guī)?；茝V的價值。

2.2 SCR預(yù)除塵技術(shù)及其適用性分析

SCR預(yù)除塵技術(shù)根據(jù)其除塵的主要物理機(jī)制的不同，主要分為以下幾類，即：（1）煙道/灰斗的空氣動力學(xué)優(yōu)化；（2）慣性分離；（3）過濾；（4）離心分離。傳統(tǒng)低溫段除塵技術(shù)（靜電/布袋/濕式電除塵器等）設(shè)備復(fù)雜、高溫高塵環(huán)境下可靠性差，雖曾有相關(guān)嘗試和實(shí)際應(yīng)用，但效果不理想，因此該文不對其進(jìn)行深入討論。

2.2.1 煙道/灰斗的空氣動力學(xué)優(yōu)化

煙道/灰斗的空氣動力學(xué)優(yōu)化，原理是通過流場的改變或優(yōu)化，充分利用飛灰自身的慣性實(shí)現(xiàn)預(yù)除塵，具有改造量小、投資省、壓損低等優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)技術(shù)如美國巴威公司針對爆米花飛灰提出在省煤器灰斗上方加裝專利技術(shù)的蝠翼形擋板，解決原有設(shè)計中較多煙氣的流動路徑遠(yuǎn)離灰斗的問題，優(yōu)化煙氣流向，使飛灰盡可能流經(jīng)灰斗中并被分離下來（參考圖1）。與此相似，還可以在SCR上游豎直煙道的底部增設(shè)灰斗，并且在灰斗上方設(shè)置擋灰板實(shí)現(xiàn)預(yù)除塵。在SCR上游豎直煙道進(jìn)行除塵存在被捕集飛灰與煙氣逆流的問題，相比之下在省煤器下方煙道拐彎處除塵能更好地利用重力作用。

2.2.2 過濾

過濾是最為簡單直接的除塵機(jī)制之一，通過幾何限制使得超過過濾裝置特征通過尺寸的顆粒被攔截下來。過濾裝置具體形式如格柵板、多孔介質(zhì)板等。由于煙氣流速較高，被過濾裝置阻攔下來的飛灰不易下落，可能造成過濾壓降迅速升高，因此該系統(tǒng)通常必須配置清灰裝置。

在來流飛灰粒徑確定的情況下，此類技術(shù)的除塵效果直接取決于過濾裝置的特征通過尺寸，而與粉塵的密度、煙氣的流動特征關(guān)系不大，具有易于設(shè)計、除塵效率比較確定等優(yōu)點(diǎn)。但SCR之前的高溫高塵環(huán)境以及頻繁甚至連續(xù)的清灰，意味著不可能采用過密、過細(xì)的過濾體，因此該技術(shù)仍主要適用于爆米花飛灰的脫除。

2.2.3 慣性分離

慣性分離在除塵、除霧等方面應(yīng)用廣泛，實(shí)際上基于煙道/灰斗的空氣動力學(xué)優(yōu)化的預(yù)除塵技術(shù)，本身就是著眼于充分利用顆粒的慣性，但其流場尺度較大，若要進(jìn)一步提高慣性分離效率，則必須在更小的流場尺度上進(jìn)行分離?，F(xiàn)有技術(shù)如在水平煙道擴(kuò)徑處設(shè)置角形擋板和平板形擋板，但實(shí)驗表明其效果并不理想，可能與其除塵單元的尺度過大以及飛灰二次攜帶有關(guān)。相關(guān)學(xué)者提出在SCR上游的豎直煙道內(nèi)設(shè)置分離器，分離單元優(yōu)選U型結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但如前文所述，此處進(jìn)行除塵的弊端是捕集的飛灰難以收集、排出，二次攜帶嚴(yán)重。針對前述典型問題，部分人員提出了基于慣性攔截單元陣列的SCR預(yù)除塵技術(shù)，通過設(shè)于水平煙道流通截面上的凹槽式的簡單結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)對飛灰的捕捉，與此同時還通過除塵結(jié)構(gòu)件傾斜一定角度以及引流少部分煙氣等手段，促進(jìn)收塵、排塵，減少二次攜帶。

2.2.4 離心分離

離心分離是廣泛應(yīng)用的除塵技術(shù)，在脫除較粗飛灰方面具有技術(shù)較成熟、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)。典型的技術(shù)方案主要有兩種：一是采用傳統(tǒng)柱錐形旋風(fēng)分離器進(jìn)行預(yù)除塵，但傳統(tǒng)柱錐形分離器在處理大煙氣量時，設(shè)備尺寸會變得非常龐大，且效率會隨之顯著下降；二是采用多管式旋風(fēng)分離器（亦稱為旋風(fēng)管），相關(guān)應(yīng)用如采用耐磨、耐高溫的陶瓷多管式旋風(fēng)分離器進(jìn)行化工行業(yè)鍋爐SCR預(yù)除塵。多管式旋風(fēng)分離器相比柱錐形旋風(fēng)分離器具有效率高、占地緊湊、設(shè)備布置靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計難度更大，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括漩渦穩(wěn)定、高效葉片設(shè)計、防串氣等。

2.2.5 技術(shù)對比及適用性分析

無論是空氣動力學(xué)、慣性分離還是離心分離，其本質(zhì)都是基于飛灰相對于流體（煙氣）的慣性差異實(shí)現(xiàn)分離，而顆粒的慣性可以由無量綱的斯托克斯數(shù)（St）描述，相應(yīng)地上述各技術(shù)的分離能力，可以定性地由該分離設(shè)備特征結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)下的顆粒St數(shù)評價。St數(shù)的表達(dá)式為：

其中ρp、dp分別為飛灰的密度和粒徑；μ為煙氣的動力粘度；U和L分別為預(yù)除塵裝置中煙氣的特征流速和預(yù)除塵裝置基本分離單元的特征尺寸。在燃煤電廠中，ρp約為2 200 kg/m3，U可取15 m/s。對于空氣動力學(xué)原理的預(yù)除塵，L可取煙道寬度，此處以5 m作為估計值；對于慣性分離，L可取分離單元橫截面的迎風(fēng)面寬度，典型值取0.2 m；對于離心分離，L可取旋風(fēng)分離器（或旋風(fēng)管）的特征半徑，以旋風(fēng)管為例典型值取0.2 m。預(yù)除塵技術(shù)的分離能力可以定性地以St數(shù)等于1時對應(yīng)的顆粒粒徑dp（St=1）評估。

在以上參數(shù)下，空氣動力學(xué)、慣性和離心分離的分離能力大致分別為300 μm、60 μm、60 μm。需要說明的是，旋風(fēng)管中粉塵的停留時間一般明顯長于慣性預(yù)除塵裝置，因此離心分離的效率上限一般優(yōu)于慣性分離。該文所述各種SCR預(yù)除塵技術(shù)的適用性對比如表1所示。

3 結(jié)論與展望

在SCR之前實(shí)現(xiàn)煙氣預(yù)除塵具有提高SCR脫硝效率、緩解空預(yù)器堵塞、降低除塵器工作負(fù)荷或設(shè)備容量等作用，對于燃煤電廠節(jié)能減排意義顯著。基于空氣動力學(xué)優(yōu)化、過濾機(jī)制、慣性分離或離心分離的SCR預(yù)除塵技術(shù)具有不同的適用性，在技術(shù)選型和設(shè)計時需綜合考慮飛灰脫除能力、電廠實(shí)際飛灰特性、預(yù)除塵目標(biāo)、空間場地、費(fèi)用周期等多種因素。我國SCR預(yù)除塵技術(shù)的研究和應(yīng)用尚處于發(fā)展初期，技術(shù)研發(fā)的迫切性和潛在的經(jīng)濟(jì)社會價值都是十分顯著的。

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