火電廠SCR煙氣脫硝反應器前設置灰斗及增加煙道截面的探討

孫葉柱，王義兵，梁學東，陳豐，鄭建農

(1.華能國際電力股份有限公司，北京市，100086;2.華能南京金陵發電有限公司，南京市，210035)

0 引言

選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)煙氣脫硝工藝是火電廠煙氣脫硝的主流技術。1970年以來SCR工藝在日本、美國及歐洲各國都得到了廣泛應用，我國現有電廠的煙氣脫硝工程也大多采用SCR工藝［1］。脫硝催化劑是SCR煙氣脫硝工藝中的核心設備，其作用是降低氨(NH3)與氮氧化物(NOx)反應的活化能，使脫硝還原反應能在鍋爐尾部煙氣條件下順利完成。

實際使用中，催化劑的壽命會受到各種因素的影響。從目前國內外脫硝系統的運行情況看，煙氣中大顆粒飛灰對催化劑的磨損或飛灰沉積造成催化劑堵塞是影響催化劑壽命的兩大主要原因。

1 飛灰磨損、堵塞催化劑的機理

微觀上，飛灰顆粒隨煙氣高速撞擊催化劑壁時，可分解為切削力和撞擊力，而磨損是以切削力為主。飛灰的高速撞擊消耗了其顆粒的動能，該動能作用到催化劑壁表面，使其微粒克服分子間結合力而與母體分離產生磨損。

宏觀上，飛灰對催化劑的磨損主要取決于飛灰磨損特性、飛灰粒徑分布、煙氣流速、飛灰濃度以及催化劑的抗磨損等特性。此外，還與鍋爐負荷、煙氣溫度、煙道的漏風量、飛灰的含碳量、飛灰沿煙道截面運動的速度及飛灰濃度分布的不均勻性等因素有關。

1.1 飛灰磨損特性

飛灰的磨損特性［2-6］取決于灰粒的大小、形狀、軟硬、灰熔點、化學組成等因素。飛灰顆粒的動能與飛灰顆粒的大小成正比［2］，去除大顆粒的飛灰，可顯著減輕其對催化劑的磨損。試驗證明，若能將大于90 μm的灰粒的分離效率從67%提高到90%，則根據文獻［2］算出的磨損速度可降為以前的45%。一般，具有銳利棱角形狀的飛灰顆粒要比球形的磨損更嚴重些。灰熔點越高，在火焰中被熔化的比例越小，尖角越多，磨損性越強。試驗表明，尖銳顆粒比熔化過的球形顆粒對金屬的磨損率大10倍。飛灰的化學組成中SiO2和Al2O3所占飛灰的比值通常作為飛灰磨損特性的重要指標。比值越大，磨損越嚴重，當比值超過60%時，磨損將顯著加重。催化劑磨損程度與飛灰顆粒硬度與催化劑硬度的比值有關，提高催化劑的硬度有利于提高其耐磨性。

1.2 飛灰堵塞特性

飛灰造成催化劑堵塞是由于粗糙飛灰顆粒隨煙氣漂浮至催化劑表面，細小的灰粒在層流狀態下聚積于SCR煙氣脫硝反應器的上游部位，并進一步凝聚到催化劑表面形成搭橋而造成的。這種現象是SO3、未燃盡的碳氫化合物、Ph、CaO、Na、K等化學物質和飛灰粒徑分布、表面摩擦力等因素共同作用的結果。

當飛灰粒徑大于4 mm時可造成催化劑嚴重阻塞。對于直徑較大的飛灰顆粒，如只從催化劑的結構設計上來防止堵塞是不行的，必須在其進入催化劑前去除。在美國電站發展過程中，曾出現過直徑達10 mm的爆米花狀飛灰對空預器造成嚴重的堵塞。

1.3 飛灰濃度對催化劑磨損的影響

磨損與飛灰的濃度成正比。飛灰濃度越大，表明煙氣中灰量越多，灰粒撞擊的次數越多，引起的磨損越嚴重。脫硝反應器內部煙氣流場分布不均勻，局部地區造成飛灰濃度集中，也易引起催化劑在濃度集中地區的嚴重磨損。

1.4 煙氣流速對催化劑磨損的影響

飛灰顆粒流速越大，對催化劑的磨損也越嚴重。許多研究表明，飛灰對不同鋼材的磨損量與其流速的2～3次方成正比(熱態時，隨著溫度的升高，流速對飛灰沖刷磨損的影響有所減弱)。

采用多項式非線性曲線擬合熱態飛灰沖蝕磨損數學模型表征熱態下含灰氣流沖蝕熱態金屬表面的磨損特征為

式中 :ΔI為相對磨損量，mg/g;Ws為灰粒子速度，m/s;t3為試件溫度，℃;a0、a1、a2、a3、a4、a5為所求回歸系數。

由上式分析可知，在SCR脫硝反應器內部煙氣流場設計時，應避免煙氣流速過大，特別是局部區域流速過大。一般認為SCR脫硝反應器設計煙氣流速應小于5.2 m/s(實際煙氣流量/反應器截面內總的催化劑元件截面積的比值)為宜。

2 國內電廠飛灰特性分析

2.1 我國的煤質特征

判別煤炭質量優劣的指標很多，其中灰份和硫份是較主要的指標。據統計，灰份小于10%的煤炭約占中國探明儲量的17%，大部分煤炭的灰份為15%～30%。我國煙煤大多為優質動力煤，灰份低于15%，硫份小于1%;貧煤的灰份和硫份都較高，灰份為15% ～30%，硫份為1.5% ～5%。

2.2 電廠飛灰數據分析

以下通過典型電廠電除塵飛灰的數據，分析國內電廠實際飛灰特性。

(1)A電廠數據。實測該廠煙氣飛灰濃度約為14～32 g/Nm3。試驗時，入爐煤灰含量約為33.63%，按10%的飛灰變成爐渣的理論計算，則煙氣中的飛灰濃度約為43 g/Nm3。此外，飛灰中的SiO2與 Al2O3含量之和達到84.9%，CaO含量為3.99%(粘性小)。從除塵器第1電場的飛灰樣品可知，飛灰顆粒比較粗，平均粒徑為196.9 μm，峰值為223.4 μm;粒徑大于100 μm的飛灰超過78.8%。表明煙氣中的飛灰濃度較高、質地硬、粒度大。

(2)B電廠數據。鍋爐燃煤的灰含量在設計與校核煤的范圍之內，煙氣中的飛灰濃度為20～28 g/Nm3。從靜電除塵器第1電場采集的飛灰樣品可知，粒徑小于10 μm的顆粒體積含量低于20%，粒徑為10～200 μm的顆粒體積占60% ～70%，峰值粒徑約為120 μm。

(3)C電廠數據。從全年入廠煤的加權平均值來看，灰含量為25.44% ～39.29%;硫含量為1.29% ～3.36%。從靜電除塵器第1電場采集的飛灰樣品可知，粒徑小于10 μm的顆粒體積含量低于15%，粒徑10～100 μm 的顆粒體積約占 55%，粒徑 100～200 μm的顆粒體積約占 30%，峰值粒徑約為106 μm。

(4)D電廠數據。鍋爐設計燃用準格爾煤，灰含量為24.61%，揮發份為39.53%，硫含量為0.42%。從靜電除塵器第1電場采集的飛灰樣品可知，粒徑小于10 μm的顆粒體積含量低于10%，粒徑10～200 μm的顆粒體積約占60%，峰值粒徑約為120～140 μm。飛灰中的堿土金屬氧化物(CaO與MgO)含量低于1.5%，SiO2與Al2O3含量之和超過87%，表明飛灰的粘性較小，而硬度相對較高。

對以上數據分析表明，目前國內電廠排放的煙氣中飛灰粒徑分布的峰值大于100 μm具有普遍性，有的電廠的飛灰粒徑分布的峰值甚至超過200 μm。有3個電廠的飛灰中SiO2+Al2O3的含量在80%左右，說明國內電廠實際飛灰較普遍地具有較強的磨損特性。近年來，全國電廠普遍存在購煤難，購設計煤種更難，到廠的煤質較差、灰量過高的情況，使電廠實際飛灰產生量大大高于設計值，造成煙氣系統部分設備堵塞，同時除灰設備超出力情況時有發生。灰份越高，對SCR脫硝催化劑造成的磨損和堵塞越嚴重，在灰份增加的同時，堿土金屬(CaO、MgO等)和灰粒中可溶性堿金屬鹽(Na、K等)對催化劑活性的損害也在增加。

可以認為，為避免脫硝催化劑和對其后的空預器設備的磨損，在脫硝反應器前盡可能地除去大顆粒的飛灰是十分必要的。

3 設置大容積灰斗，增加煙道截面積

SCR煙氣脫硝系統的設計在滿足脫硝效率、SO2/SO3轉化率、氨逃逸等主要性能指標的同時，應最大限度地保證和延長催化劑的化學壽命和機械壽命，以減少運行成本(催化劑價格相當昂貴)。因此在評估脫硝系統的設計時，還要看是否采取恰當的措施，盡可能地除去大顆粒的飛灰，并降低煙氣的流速和飛灰濃度，以減小磨損，延長催化劑的壽命。在煙氣流速、飛灰濃度等條件一定的情況下，在煙氣轉向前設置灰斗，達到在煙氣進入SCR脫硝反應器前去除較大灰顆粒的目的。這是避免脫硝催化劑磨損和堵塞，延長催化劑的機械、化學壽命的非常有效的措施。

美國巴威公司建議在鍋爐省煤器出口布置灰斗，以除去煙氣中顆粒較大的飛灰，保護空氣預熱器。實際工程數據表明，巴威公司設計的蝙蝠翼折流省煤器灰斗，對爆米花狀飛灰的脫除率可從73.3%增大到98.9%，大大降低了空預器的磨損和堵塞。

本文認為通過在省煤器出口至SCR脫硝反應器前的水平煙道前設置足夠的灰斗，并在水平煙道后至SCR脫硝噴氨煙道前設置足夠的灰斗可非常有效地降低煙氣攜帶大顆粒飛灰的比例。

目前在鍋爐爐后系統的設計上，有一種理論認為通過選擇較大煙氣的流速和較大催化劑孔徑，可將飛灰“吹”出催化劑層和其后的空預器，能夠避免設備的堵塞和飛灰的淤積。但本文認為這種理論加速了催化劑和其后的空預器的磨損，減少了設備的壽命。

3.1 灰斗除灰的原理

圖1～3是省煤器灰斗飛灰流場示意圖。

圖1中，灰斗上部出現較小的回流，內部有不連續的流場存在，從而有利于灰塵的降落。但相對于圖2、3的流場，仍存在較強的回流流場，容易造成二次揚灰，不利于提高除塵效率。

圖2中，擴容后的灰斗中煙氣流速減慢，灰斗上部出現了較大的回流，不連續的流場變大，更有利于大顆粒飛灰的沉降和去除，并減少了飛灰的二次攜帶，增加了灰斗的除灰效率和容量。

圖1 省煤器灰斗流場示意Fig.1 Flow field in ash hopper of economizer

圖2 擴容后的省煤器灰斗流場示意Fig.2 Flow field in ash hopper of expanded economizer

圖3 擴容、增加煙道截面積后的省煤器灰斗流場示意Fig.3 Flow field in ash hopper of expanded economizer with enlargement of flue section

圖3中，在灰斗擴容，同時增加煙道的截面積時，可使煙氣流速進一步減慢，區域中的飛灰的濃度變小，整個流場的速度分布趨于均勻。同時，底部有1個很大的滯止區，這樣的流場結構利于重力分離，流場中的重力分離和顆粒之間吸附力充分發揮作用，慣性分離得到加強，分離效率相對最高，并有利于減小系統的阻力，降低能耗［7］。

圖4、5為SCR脫硝入口灰斗流場示意圖，煙氣由水平轉入垂直方向，在煙道的轉彎內徑處設有擋板。圖6為某工程的SCR脫硝入口灰斗流場示意圖。

對比圖4、5的流場，煙氣在擋板的后方出現回流，有不連續的流場存在，從而有利于灰塵的降落。圖5中對灰斗及煙道進行擴容后，增加煙道的截面積，使煙氣在灰斗處的流速驟減，整個流場的速度分布趨于均勻，對飛灰的分離作用與圖3相似，分離效率得到較大的提高，同時也減小了煙道阻力，降低風機能耗。在圖6的灰斗設計中，灰斗設置在煙道彎頭的前方，且在彎頭處進行了縮徑處理，煙道截面積減小，流速增加，不利于飛灰的降落和分離，除灰效果十分有限。這種設計是不可取的。

圖4 未擴容的SCR入口灰斗流場示意Fig.4 Flow field in ash hopper at inlet of unexpanded SCR

圖5 擴容后的SCR入口灰斗流場示意Fig.5 Flow field in ash hopper at inlet of expanded SCR

圖6 某工程的SCR入口灰斗流場示意Fig.6 Flow field in ash hopper at inlet of SCR in a project

3.2 有關灰斗設計的試驗結果分析

3.2.1 灰斗除灰實驗

國內針對330 MW機組在不同工況下的灰斗除灰實驗中，對灰樣分離前、后的粒度頻度分布建立了函數(圖7)。從圖7中看出，分離出的灰樣比分離前的灰樣粒徑增大很多。對篩分數據進一步處理，討論對大于90 μm 及50～90 μm 的粒子的分級效率，如表1所示。由表1可知，灰斗對大于90 μm的粒子有較高的分級效率，達80%左右;而對50～90 μm的粒子，分級效率較低。雖然分級效率是試驗室數據，不足以證明電廠灰斗實際的分級效率也能達到80%，但也說明了灰斗對去除大顆粒飛灰的作用是非常明顯的。

圖7 灰樣分離前后粒度頻度分布Fig.7 Frequency distribution for various particle sizes under ash sample separation

表1 灰斗分級效率Tab.1 Classification efficiency of ash hopper

3.2.2 灰斗改型實驗

在有關實驗［8-10］中，通過增大灰斗的容積和增加控流擋板(圖8)，驗證了灰斗改型對除灰效果的影響。試驗中考慮了3種灰斗容積、4種擋板長度、4種擋板角度(含無擋板的工況)。對全工況實驗數據的分析(見圖9)可以看出，灰斗的分離效率隨容積的增大呈上升趨勢，但隨擋板長度和角度的變化相對不顯著。圖中V為改型后容積與原型容積之比;L為l/D。

4 結語

(1)催化劑是SCR煙氣脫硝工藝的重要設備，避免催化劑磨損和堵塞是保護和延長催化劑壽命的重要手段。

圖8 灰斗改型試驗方案Fig.8 Testing scheme for modifications of ash hopper

圖9 灰斗改型全工況實驗結果(分離效率)Fig.9 Testing results of separation efficiency for modification of ash hopper

(2)在煙氣流場、流速及催化劑設計、選型等條件一定的情況下，通過合理設置足夠的省煤器出口灰斗、SCR脫硝反應器入口灰斗，能夠有效去除煙氣中大顆粒的飛灰，從而顯著減少催化劑磨損、堵塞。

(3)通過設置大容積的擴容灰斗，增加煙道的截面積，可以有效提高灰斗去除大顆粒飛灰的效率，并有利于減小整個煙道系統阻力，降低風機能耗。

(4)在SCR脫硝反應器前的煙道上應設置足夠的擴容省煤器灰斗和SCR脫硝入口灰斗，在鍋爐總體布置許可的條件下，灰斗設置宜取上限值進行設計:除灰效率按5% ～10%的總灰量、容量按8 h的灰沉積量。

(5)實際效果:某工程2臺1 000 MW級超超臨界發電機組省煤器出口、SCR脫硝煙道進口均設置灰斗，經過1年左右的運行(每日定期吹灰)，脫硝反應器內部未見明顯的磨損、堵塞，SCR脫硝反應器煙氣阻力未見明顯增加。

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