積灰坍塌對催化劑堵塞問題影響實驗研究

鄧淮銘，陳鴻偉，趙 超，朱棟琦，趙寶寧

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

積灰坍塌對催化劑堵塞問題影響實驗研究

鄧淮銘，陳鴻偉，趙 超，朱棟琦，趙寶寧

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

為探索選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統催化劑上方的整流格柵積灰突然坍塌對SCR催化劑堵塞的影響，采用有機玻璃搭建小型冷態試驗臺模擬整流格柵部位積灰坍塌的情形進行相關實驗研究。實驗結果表明：用原灰進行實驗時，蜂窩式催化劑最多有5% 的孔被堵塞，且通風與否對其堵塞有很大影響；當原灰中按一定比例混入大顆?；視r，隨著下料量的增加，催化劑孔堵塞數目呈線性上升的趨勢。當下料量達到10 kg時，催化劑最多有15% 的孔被堵塞，且通風與否對其影響不大。鍋爐實際運行過程中產生的大顆粒灰，會對催化劑堵塞影響嚴重。在此基礎上提出在省煤器與SCR催化劑層間煙道內加裝攔截網，對大顆?；疫M行預脫除的建議，以期對電廠安全運行提供參考。

煙氣脫硝；選擇性催化還原；粉塵顆粒；催化劑堵塞；積灰坍塌；大顆粒灰

0 引言

燃煤電廠污染物主要包括煙塵、二氧化硫和氮氧化物(NOx)等。其中，NOx排放到大氣中會引起酸雨和光化學煙霧[1]。為減少NOx排放，大多數燃煤電廠均配有煙氣脫硝系統[2]，其穩定運行至關重要[3]。選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)煙氣脫硝技術因其技術成熟和較高的脫硝率，現已在世界范圍內成為大型工業鍋爐煙氣脫硝的主流工藝[4]。國內 SCR 煙氣脫硝系統一般采用高塵布置，煙氣中存在大量的粉塵顆粒對 SCR 催化劑的磨損和堵塞具有顯著影響[5-6]。

催化劑作為SCR系統的核心，其性能直接影響整體脫硝效果[7-8]。催化劑的堵塞是造成催化劑物理失活的主要因素之一，催化劑堵塞一般可以分為孔內堵塞和通道堵塞2種情況，其中催化劑通道堵塞是指較大粒徑的飛灰顆粒直接覆蓋或堵塞催化劑通道的情況，減少了所裝載催化劑的有效體積[9]，使得脫硝效率降低，增大了機組NOx排放量。造成催化劑堵塞的原因[10-11]有：流場不合理、鍋爐長期低負荷運行、低溫下脫硝運行、煙氣中存在爆米花灰和吹灰器吹灰效果差等。此外，經現場調研燃煤鍋爐SCR 煙氣脫硝系統催化劑的堵塞情況，發現催化劑上方的整流格柵積灰較為嚴重，且積灰達到一定程度后突然坍塌可能造成催化劑堵塞現象的發生。因此，研究整流格柵積灰坍塌對催化劑層的影響至關重要，而在該方面的研究未見報道。

為研究爐內不同質量積灰坍塌時，大量原灰顆粒以及大顆粒灰對催化劑孔堵塞問題的影響，本文通過搭建冷態實驗臺模擬爐內惡劣工況的方法找出催化劑孔堵塞的主要物理因素，對SCR催化劑、空預器等部位防止堵塞研究具有一定的參考價值。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

圖1為本實驗系統的簡化示意圖，主要實驗裝置包括蜂窩式催化劑、通風管道、布袋除塵器、引風機等。為方便對實驗現象與實驗結果進行觀測，本實驗臺主體選用透明有機玻璃板制成。實驗臺主體用圓形通風管道與主風道連接，并依次通過布袋除塵器和引風機。

圖1 堵灰實驗系統示意圖

冷態實驗臺主體部分為內截面150 cm×150 cm的有機玻璃制長方體，上下2個水平抽板的間隔為500 mm。水平抽板下150 mm×150 mm×1 000 mm的催化劑層，催化劑每個孔大小為7 mm×7 mm，共18×18個孔。

1.2 實驗工況

本實驗旨在研究積灰坍塌質量變化與不同速度下飛灰顆粒對催化劑堵塞的影響。風速依次選為0 m/s和4 m/s。其中0 m/s風速，即不通風時模擬整流格柵上的堆積灰突然坍塌時，大劑量的飛灰顆粒通過催化劑的情形，并將其與通風時催化劑堵塞情況進行對比。實驗所用原灰灰樣是從國內某電廠取得的原灰，大顆粒灰(>6.7 mm)是從該電廠催化劑格柵上方積灰處取得。實驗工況包括不通風狀況下原灰實驗、不通風狀況下原灰中混入部分大顆粒灰實驗、通風狀況下(4 m/s)原灰實驗和通風狀況下原灰中混入部分大顆?；覍嶒?。

1.3 實驗方法

(1)不通風狀況下原灰的坍塌實驗

在風機關閉狀況下，撤去水平抽板1，插入緊挨催化劑層的水平抽板2(0 mm工況)，用原灰進行實驗。

首先，稱取1 kg原灰置于水平抽板2上。迅速將水平抽板2抽離，以達到灰堆突然坍塌的效果。靜置片刻，待催化劑上側灰顆粒趨于穩定，完成實驗。

再依次稱取原灰2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg、7 kg、8 kg、9 kg、10 kg，重復坍塌實驗。

考慮到整流格柵與催化劑層之間往往需要布置聲波吹灰器以及預留人員進入維護的空間，二者之間一般預留2～3 m的空間。因此，實驗室條件下再選取距離催化劑表層0.5 m(即500 mm)處設置水平抽板2。

撤去水平抽板2，插入距催化劑上表面500 mm處的水平抽板1(500 mm工況)，在不通風情況下重復上述實驗。

(2)不通風狀況下原灰中混入大顆?；业奶鷮嶒?/p>

依次取1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg、7 kg、8 kg、9 kg、10 kg的原灰，在其中均勻混入一定比例的大顆?；摇０凑丈鲜龇椒ǚ謩e在0 mm與500 mm工況下進行實驗(不通風)，依次記錄實驗數據。

(3)通風狀況下坍塌實驗

在電廠鍋爐實際運行過程中，高速流動的煙氣攜帶灰顆粒流經整流格柵與催化劑層，灰顆粒的堆積情況與無風狀態有所不同。對國內某電廠調研過程中發現，煙氣流經催化劑層速度為4.5 m/s左右，實驗室條件下選取4 m/s的風速。

打開引風機，調節數字流量計，將風速穩定為4 m/s時開始實驗，重復實驗(1)和(2)中的步驟，進行通風狀況下原灰坍塌實驗和混入大顆?；液蟮脑业奶鷮嶒灐?/p>

(4)為保證實驗結果的可靠性，對每個工況均進行了2組驗證性實驗，去掉個別有明顯偏差的結果，再對3組數據的平均值進行分析。

2 實驗結果及分析

2.1 不通風工況下坍塌實驗

實驗工況下對各個實驗結果進行拍照記錄，圖2為不通風條件0 mm 工況下原灰坍塌實驗結果的一個實物圖。

圖2 不通風工況實驗實物圖

通過實驗現象觀察可發現，單純用原灰實驗時催化劑孔堵塞數目較少，而混入大顆?；抑髸l現大量的大顆?；椅赐ㄟ^催化劑孔，形成了堵塞。為更清楚地區分大顆?；一烊肭昂蟮淖兓厔?，將4種工況下的平均數據繪制在一起，如圖3所示。其中，工況1～4分別為不通風狀況下0 mm原灰實驗、500 mm原灰實驗、0 mm原灰中混有大顆粒實驗和500 mm原灰中混有大顆粒實驗。

圖3 不同工況下孔堵塞數目

從圖3可看出，原灰實驗時2種工況的孔堵塞數目均呈現先增加再趨于穩定的趨勢，且穩定時0 mm工況的孔堵塞數目要略高于500 mm工況。造成這種現象的原因是由于在原灰中含有少量的爆米花灰和板結灰。當大劑量的原灰突然下落時，部分爆米花灰和板結灰會對催化劑孔洞形成覆蓋，導致灰顆粒無法通過該孔洞，進而形成堵塞現象；另一部分較小顆粒的爆米花灰以及經撞擊破碎成小顆粒的爆米花灰可以直接通過催化劑孔而不會形成堵塞或者對催化劑孔造成半堵塞；半堵塞狀態的催化劑孔仍有灰顆粒通過，大劑量的灰顆粒對卡在孔內的爆米花灰進行沖刷和磨損會使一部分半堵塞狀態的催化劑孔通暢，另一部分可能會再次堆積爆米花灰而使孔洞徹底堵塞。實驗過程中發現，當原灰質量達到5～6 kg左右時，由于爆米花灰的堵塞和灰顆粒沖刷的雙重作用，催化劑孔堵塞數目基本達到了一個動態平衡的狀態，此時孔堵塞數目基本不再有明顯變化。由于500 mm工況下，灰堆與催化劑層間有一定距離，這就使灰顆粒到達催化劑上表面時已經有了一定的初速度，大顆粒灰的撞擊破碎以及灰顆粒對半堵塞狀態的孔洞的沖刷作用更為明顯，導致動態平衡狀態下孔堵塞數目相對較少。

當原灰中混入大顆?；視r，催化劑孔堵塞的趨勢與原灰有明顯區別，隨著下料量的增加，0 mm和500 mm 工況下催化劑孔堵塞數目均呈現穩步上升的趨勢。將這2種工況的孔堵塞情況在origin下按線性擬合的方式進行處理，結果如圖4所示。

圖4 不通風時原灰加入大顆粒后擬合直線

0 mm工況線性擬合結果為截距 3.2、斜率 4.618 18的直線，直線方程為y=4.618 18x+3.2。其中x為下料質量，y為催化劑孔堵塞數目；500 mm工況線性擬合結果截距為 3.33、斜率為 3.939 39的直線，直線方程為y=3.939 39x+3.33。通過趨勢圖和線性擬合直線可發現，2種工況下孔堵塞數目擬合良好且均呈現出按一定斜率直線增長的趨勢。與原灰狀況類似，500 mm工況時由于灰顆粒到達催化劑層時已經具有一定的初速度，部分爆米花灰會破碎成小塊通過催化劑孔，不會造成堵塞。因此， 500 mm工況的線性擬合方程的斜率要小于 0 mm工況。

2.2 通風工況下坍塌實驗

實驗工況下對各個實驗結果進行拍照記錄，圖 5為通風條件0 mm 工況下原灰坍塌實驗結果的一個實物圖。

圖5 通風工況實驗

從圖5中可以看出在通風條件下，原灰實驗的孔堵塞數目極少。而按照前述方法在原灰中混入一定比例的大顆粒灰時，實驗結果表明催化劑堵塞現象依舊很嚴重，這與不通風狀況沒有太大差別。由此可見，模擬電廠運行工況下大顆?；覍Υ呋瘎┒氯挠绊懕仍乙黠@得多。

參照不通風狀況下的實驗，將通風狀況下坍塌實驗也分為4個工況。工況1～4分別為：0 mm 原灰實驗、500 mm 原灰實驗、0 mm 原灰中混有大顆粒實驗和500 mm 原灰中混有大顆粒實驗。將4種不同工況下實驗結果的水平數據繪制于一張折線圖中，如圖6所示。

圖6 通風狀況下實驗數據

由圖 6可知，工況1與工況2催化劑堵塞孔數均在 0～2 之間波動，下料量的增加對孔堵塞數目幾乎沒有影響。造成這種現象的原因是由于原灰中沒有能堵塞催化劑孔的大顆粒灰，而可能存在的板結灰也會因高速氣流的攜帶作用撞擊催化劑表層而破碎成細小顆粒，因此這種情況下幾乎不會引起催化劑堵塞現象。由此可知，鍋爐正常運行過程中，煙道內單純的細灰對催化劑堵塞問題影響不大。而工況3與工況4的曲線依舊呈現出逐步上升的趨勢。為方便將2條曲線進行對比，將其進行線性擬合，如圖7所示。

圖7 通風時原灰加入大顆粒擬合直線

0 mm 工況下線性擬合結果斜率為 3.830 3、截距為 1.333 3的直線，直線方程為y=3.830 3x+1.333 3，線性擬合良好。其中x為下料量，y為催化劑孔堵塞數目。500 mm 工況下擬合結果為斜率 3.515 15、截距 -0.933 3的直線，直線方程為y=3.515 15x- 0.933 3，線性擬合良好。

對比這2種工況下的實驗數據與擬合直線方程可以發現，隨著下料量的增加，孔堵塞數目也呈現出迅速增長的態勢。500 mm 工況的增長速度相比0 mm工況略低，這與不通風狀況下的實驗結果趨勢相同，但2條擬合直線的斜率均呈現出不同程度的降低。有以下2種原因會造成這種現象：①由于原灰中均勻混入了一定比例的大顆粒灰，導致實驗結果均呈現出按一定比例逐步增加的趨勢；②通風狀況下，由于高速氣流的攜帶，會有更多的大顆粒撞擊催化劑表層后破碎成較小顆粒而通過催化劑孔，因此相同工況下的擬合直線斜率均比不通風時要低。

將同類工況進行對比發現，通風與否對原灰實驗結果的影響很大。不通風時原灰實驗催化劑孔堵塞數目最多可達到 5% 左右，當風機開通時原灰幾乎不會引起催化劑堵塞問題。當在原灰之中均勻混入一定比例的大顆?；抑螅L與不通風狀況下，催化劑孔堵塞數目均呈現出直線增長的趨勢，且二者增長的斜率相差不大。當下料量達到10 kg 時，催化劑孔堵塞數目最多可達 15% 左右，這對催化劑層流場和流速影響很大。結合電站鍋爐實際運行狀況，正常運行狀況下整流格柵上方會出現大量積灰堆，這些灰堆中包含了大量的大顆?；襕12]。如果這些大顆粒灰進入到催化劑層，會形成催化劑大面積堵塞現象，已堵塞的催化劑也會很快發展成大面積堵塞，這不僅會使催化劑層流場和流速更加不均，還會加劇催化劑層的磨損問題，降低催化劑使用壽命。由此可見，對這些大顆?；疫M行預先消除顯得至關重要。省煤器灰斗改造和灰斗上方加裝攔截濾網可有效攔截煙氣中的大顆?；遥瑥亩蟠蠼档瓦M入催化劑層大顆?；业臄的浚档痛呋瘎佣氯F象的發生。

3 結論

(1)不通風狀況下用原灰實驗時，催化劑孔堵塞數目會呈現出先增加后基本趨于穩定的趨勢；而通風狀況下的原灰實驗時，催化劑基本不會出現堵塞現象。由此推測在實際電站鍋爐運行過程中，單純的細灰顆粒并不會造成催化劑堵塞問題。

(2)當原灰中混入一定比例的大顆?；液?，無論是通風還是不通風工況，催化劑孔堵塞數目均呈現出逐步增長的趨勢。實際電廠運行過程中，爐內會產生許多大顆?；?，若這些大顆?；疫M入到催化劑層，會造成催化劑堵塞問題加劇、催化劑性能降低等諸多不利因素。

(3)由于大顆?；椅：薮?，在大顆?；疫M入催化劑層前對其進行消除顯得尤為重要。由此提出對省煤器下方灰斗加裝濾網來攔截進入催化劑層的大顆粒灰，從而減輕催化劑堵塞問題，具有重要意義。

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Experimental Study on the Effect of Deposited Ash Collapse on Catalyst Blockage

DENG Huaiming，CHEN Hongwei，ZHAO Chao，ZHU Dongqi，ZHAO Baoning

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003，China)

In order to explore the effect of the deposited ash collapse from the rectifying grids located above the catalyst of selective catalytic reduction (SCR) denitration system on the catalyst blockage, a small cold test rig made of organic glass was used to simulate the behavior of experiment conditions.The experimental results showed that the amount of honeycomb catalyst grids blockage may reach up to 5% when the original ash was used, and the blockage was significantly influenced by ventilating or not.The amount of catalyst grids blockage increased linearly with the increase of the ash feeding amount as a ratio of big particle ash was mixed in the original ash.The amount of catalyst blockage may reach up to 15% when the ash feeding amount was 10 kg, and there was no influence on the blockage whatever ventilating or not.Therefore, the big particle ash produced from the process of boiler operation has a great effect on the catalyst blockage.Based on the experimental results above, the suggestion of installing the intercept net between economizer and catalyst to remove big particle ash was proposed to provide a reference for the safe operation of the power plant.

flue gas denitration; selective catalytic reduction; dust particles; catalyst blockage; ash collapse; large particle ash

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.009

2017-04-12。

X773

A

1672-0792(2017)06-0055-05

鄧淮銘(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為燃煤電站大氣污染物排放控制技術，省煤器灰斗改造技術。