煙氣飛灰對(duì)SCR脫硝催化劑的磨損性能試驗(yàn)研究

陳鴻偉， 趙寶寧， 張 千， 許文良， 鄧淮銘， 王廣濤

(1．華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2．神華集團(tuán)國(guó)華(北京)電力研究院，北京 100000)

選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)具有技術(shù)成熟、脫硝高效(可達(dá)90%)和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，因此被國(guó)內(nèi)外燃煤電站廣泛采用。催化劑是SCR脫硝技術(shù)的核心，主要有板式、波紋式和蜂窩式3種形式，其中蜂窩式催化劑市場(chǎng)占有率最高[1-2]。

飛灰磨損是催化劑失活的主要原因之一[3]。在正常設(shè)計(jì)工況下，飛灰磨損可促進(jìn)催化劑表面更新，使催化劑保持良好的活性[4]，但由于實(shí)際運(yùn)行工況和煤質(zhì)均與設(shè)計(jì)值有一定偏差，導(dǎo)致飛灰粒徑較大、硬度大、成分復(fù)雜[5]，經(jīng)常會(huì)造成催化劑的過(guò)度磨損，嚴(yán)重時(shí)引起催化劑斷裂、坍塌，造成催化劑不可逆的機(jī)械性破壞，降低催化劑的使用壽命。因此，研究飛灰對(duì)SCR蜂窩式催化劑的磨損問(wèn)題，對(duì)延長(zhǎng)催化劑的使用壽命具有一定的指導(dǎo)意義。

催化劑磨損主要出現(xiàn)在催化劑端面，呈向內(nèi)凹陷狀。催化劑內(nèi)孔壁面在長(zhǎng)時(shí)間飛灰的切削作用下，會(huì)出現(xiàn)壁面減薄的磨損現(xiàn)象。SCR脫硝催化劑的磨損主要是由煙氣中攜帶的高速飛灰顆粒撞擊、切削造成的，但具體飛灰磨損機(jī)理卻十分復(fù)雜，是許多因素綜合影響的結(jié)果。研究表明，飛灰的磨損特性主要取決于煙氣流速、飛灰粒徑、飛灰質(zhì)量濃度和飛灰硬度等[6-7]。由于磨損機(jī)理的復(fù)雜性，所以往往采用試驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行研究，即確定一些因素來(lái)研究其他因素對(duì)磨損的影響，而確定的因素則作為常量來(lái)處理[8]。筆者采用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，分別對(duì)影響催化劑磨損的主要因素如煙氣流速、飛灰質(zhì)量濃度和飛灰粒徑等進(jìn)行了研究，揭示了飛灰對(duì)SCR蜂窩式催化劑磨損的影響，可為電廠實(shí)際運(yùn)行提供指導(dǎo)性作用。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及工況

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)裝置

參考肖雨亭等[2]和徐秀林[9]的沖蝕磨損試驗(yàn)系統(tǒng)，自行設(shè)計(jì)飛灰對(duì)催化劑的磨損性能試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。其基本工作原理是引風(fēng)機(jī)為試驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)造負(fù)壓環(huán)境，使空氣從左側(cè)喇叭口進(jìn)入風(fēng)道，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)道上的閥門開(kāi)度來(lái)改變風(fēng)壓和風(fēng)速，并通過(guò)壓力表和熱線風(fēng)速儀對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控。將催化劑樣品置于樣品倉(cāng)中，在樣品倉(cāng)之前設(shè)有一個(gè)給料機(jī)，可連續(xù)均勻地向風(fēng)道內(nèi)輸送飛灰，送入風(fēng)道的飛灰被風(fēng)攜帶，一起經(jīng)過(guò)加速段風(fēng)道，使得飛灰加速充分。高速運(yùn)動(dòng)的飛灰到達(dá)催化劑樣品表面，完成對(duì)催化劑樣品的磨損試驗(yàn)。夾帶飛灰的空氣通過(guò)布袋除塵器，進(jìn)行氣固分離，以便回收利用，并防止污染環(huán)境，引風(fēng)機(jī)向外排出干凈的空氣。

1—風(fēng)道入口；2—給料機(jī)；3—加速風(fēng)道；4—樣品倉(cāng)； 5—布袋除塵器；6—引風(fēng)機(jī)；7—風(fēng)道出口

在實(shí)際工程中，由于SCR脫硝系統(tǒng)煙道存在設(shè)計(jì)缺陷，往往會(huì)導(dǎo)致催化劑入口處的煙氣流速和飛灰質(zhì)量濃度分布不均勻，由于試驗(yàn)風(fēng)道尺寸較小，且全程水平布置，可保證催化劑入口處煙氣流速和飛灰質(zhì)量濃度分布均勻，因此可通過(guò)改變工況來(lái)分析不同因素對(duì)催化劑樣品磨損的影響。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)所用樣品為8×8孔的SCR脫硝蜂窩式催化劑，長(zhǎng)度為8 cm，孔距為7 mm，壁厚為1 mm，除去催化劑單元體的硬化部位，試驗(yàn)所用原灰均取自某電廠。在試驗(yàn)前，先對(duì)催化劑樣品進(jìn)行干燥處理，將其置于100～105 ℃的干燥箱中，干燥1～2 h。完成干燥后，充分冷卻催化劑樣品，并進(jìn)行稱重。準(zhǔn)備工作完成后，將催化劑樣品置于樣品倉(cāng)并密封好，開(kāi)啟試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，并通過(guò)調(diào)節(jié)閥門和給料機(jī)速度，以達(dá)到試驗(yàn)要求。完成試驗(yàn)后，對(duì)磨損的催化劑樣品進(jìn)行稱重，其磨損率Er定義為：

(1)

式中：Er為催化劑樣品的磨損率，g/(m2·s)；Δm為催化劑樣品磨損前后的質(zhì)量差，g；m為催化劑樣品磨損前的質(zhì)量，g；m′為催化劑樣品磨損后的質(zhì)量，g；A為催化劑樣品橫截面的面積，m2；t為催化劑樣品的磨損時(shí)間，s。

磨損率Er越大，說(shuō)明催化劑樣品的磨損破壞越嚴(yán)重。

1.3 試驗(yàn)工況擬定

試驗(yàn)前對(duì)電廠原灰進(jìn)行篩分，分別得到大于等于88 μm的粗灰和小于88 μm的細(xì)灰，分別約占原灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的20%和80%。脫硝系統(tǒng)催化劑入口的飛灰質(zhì)量濃度為15～50 g/m3，煙氣流速為3～5 m/s。為短時(shí)間內(nèi)觀察到磨損現(xiàn)象，加大了飛灰質(zhì)量濃度和煙氣流速。在研究煙氣流速和飛灰粒徑對(duì)飛灰磨損特性的影響時(shí)，將飛灰質(zhì)量濃度設(shè)為確定因素，即在試驗(yàn)過(guò)程中飛灰分別為粗灰、原灰和細(xì)灰時(shí)，煙氣流速控制在20 m/s、25 m/s、30 m/s和35 m/s，飛灰質(zhì)量濃度為40 g/m3；在研究飛灰質(zhì)量濃度對(duì)飛灰磨損特性的影響時(shí)，將煙氣流速和飛灰粒徑設(shè)為確定因素，即在試驗(yàn)過(guò)程中飛灰質(zhì)量濃度控制在40 g/m3、60 g/m3、80 g/m3、100 g/m3、120 g/m3、140 g/m3和160 g/m3，保持飛灰為原灰，煙氣流速為35 m/s；共設(shè)18個(gè)工況。

2 數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 磨損率Er的數(shù)學(xué)模型

催化劑端面和孔道內(nèi)壁面受煙氣中飛灰的撞擊、沖蝕，造成催化劑表面的活性成分流失，磨損機(jī)理分別屬于高角度沖蝕和低角度沖蝕[10]。結(jié)合Finnie[11]的微切削理論和Bellman等[12]的薄片剝落磨損理論，分析飛灰對(duì)催化劑樣品的磨損，將磨損率Er的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為：

Er=k·ρ·vp·dn

(2)

式中：k為飛灰的磨損性能系數(shù)；ρ為飛灰的質(zhì)量濃度，g/m3；v為煙氣流速，m/s；d為飛灰的平均粒徑，μm；p、n分別為速度指數(shù)和粒徑指數(shù)。

采用該數(shù)學(xué)模型計(jì)算催化劑樣品的磨損率，既便于處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，又便于推算實(shí)際工況下的磨損量。

2.2 飛灰平均粒徑的確定

根據(jù)對(duì)電廠原灰的篩分結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電廠原灰中粒徑為0～25 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.81%，>25～38 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.08%，>38～54 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.46%，>54～75 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.75%，>75～88 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.31%，>88～113 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.76%，>113～152 μm的飛灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.94%，152 μm以上的飛灰占5.89%。

在研究飛灰粒徑對(duì)催化劑樣品的磨損影響時(shí)，需確定飛灰顆粒群的平均粒徑。粗灰、原灰和細(xì)灰的平均粒徑d為[13]：

(3)

式中：di為第i個(gè)粒子的粒徑，μm；wi為粒徑di的粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；r為粒度指數(shù)，r取1.876[14]。

經(jīng)計(jì)算，粗灰、原灰和細(xì)灰的平均粒徑分別為146 μm、90 μm和65 μm。

2.3 數(shù)學(xué)回歸式的確定

采用二元線性回歸的方法分別處理不同煙氣流速和飛灰粒徑對(duì)應(yīng)的催化劑樣品磨損率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出不同工況下催化劑磨損率的數(shù)學(xué)回歸式，進(jìn)而得到速度指數(shù)和粒徑指數(shù)，用以分析煙氣流速和飛灰粒徑對(duì)催化劑磨損的影響，具體方法見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。表1為不同飛灰粒徑下煙氣流速和催化劑磨損率的數(shù)學(xué)回歸式，表2為不同煙氣流速下飛灰粒徑和催化劑磨損率的數(shù)學(xué)回歸式。

表1 不同飛灰粒徑下煙氣流速與催化劑磨損率的數(shù)學(xué)回歸式

表2 不同煙氣流速下飛灰粒徑與催化劑磨損率的數(shù)學(xué)回歸式

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 催化劑磨損位置

圖2和圖3分別為催化劑樣品磨損前、后的對(duì)比圖，發(fā)現(xiàn)磨損后催化劑端面孔壁磨損明顯，且端面向內(nèi)凹陷；由于磨損時(shí)間較短，內(nèi)孔壁磨損不明顯。因此需要對(duì)催化劑端面進(jìn)行一定的硬化保護(hù)，以減輕飛灰對(duì)催化劑端面的磨損破壞。

圖2 磨損前的催化劑樣品

圖3 磨損后的催化劑樣品

3.2 煙氣流速與催化劑磨損率的關(guān)系

圖4給出了在不同粒徑飛灰顆粒下催化劑磨損率隨煙氣流速的變化曲線。由圖4可以看出，隨著煙氣流速的增大，催化劑的磨損率顯著增大，說(shuō)明催化劑的磨損率對(duì)煙氣流速的變化極為敏感，煙氣流速是催化劑磨損的主要因素。其原因是隨著煙氣流速的增大，煙氣攜帶的飛灰獲得較大的動(dòng)能，使其撞擊、沖蝕催化劑端面和內(nèi)壁面的能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致催化劑磨損率增大。煙氣流速對(duì)催化劑磨損的影響程度可用速度指數(shù)p來(lái)表征，表3給出了由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出的速度指數(shù)。由表3可以看出，隨著飛灰粒徑的增大，速度指數(shù)p減小，表明飛灰粒徑增大，煙氣流速對(duì)催化劑磨損的影響逐漸減弱。

圖4 催化劑磨損率與煙氣流速的關(guān)系

表3 粗灰、原灰和細(xì)灰的速度指數(shù)p

3.3 飛灰粒徑與催化劑磨損率的關(guān)系

圖5為不同煙氣流速下催化劑磨損率隨飛灰粒徑的變化曲線。由圖5可知，催化劑的磨損率隨飛灰粒徑的增大而增大，這是因?yàn)樵谙嗤瑹煔饬魉傧拢w灰的動(dòng)能與其粒徑大小成正比。隨著飛灰粒徑的增大，飛灰對(duì)催化劑的沖蝕磨損加劇。飛灰對(duì)催化劑磨損的影響可用粒徑指數(shù)n來(lái)表征，表4給出了由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸出的粒徑指數(shù)。由表4可以看出，隨著煙氣流速的增大，粒徑指數(shù)逐漸減小。這表明隨著煙氣流速的增大，粒徑對(duì)催化劑磨損的影響逐漸減弱。

圖5 催化劑磨損率與飛灰粒徑的關(guān)系

表4 不同煙氣流速下的粒徑指數(shù)n

3.4 飛灰質(zhì)量濃度與催化劑磨損率的關(guān)系

由圖6可以看出，隨著飛灰質(zhì)量濃度的增大，催化劑的磨損率呈線性增加，原因是隨著飛灰質(zhì)量濃度的增大，單位時(shí)間內(nèi)有更多的飛灰撞擊、沖蝕催化劑端面和內(nèi)孔壁，加劇了催化劑的磨損；在通灰量相同的情況下，隨著飛灰質(zhì)量濃度的增大，催化劑的失重變化不顯著，這是因?yàn)楫?dāng)不考慮作用時(shí)間、保證通灰量相同時(shí)，微觀上撞擊、磨蝕催化劑端面和孔壁面的粒子數(shù)相等，飛灰對(duì)催化劑的磨損程度相同，故宏觀表現(xiàn)為催化劑失重大致相等。

圖6 催化劑磨損率、失重與飛灰質(zhì)量濃度的關(guān)系

在電廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鍋爐煙氣環(huán)境比試驗(yàn)煙氣環(huán)境更為復(fù)雜，溫度和沖蝕角度等均會(huì)影響催化劑的磨損[9]。筆者重點(diǎn)研究了煙氣流速、飛灰粒徑和飛灰質(zhì)量濃度對(duì)催化劑的磨損，將進(jìn)一步進(jìn)行其他相關(guān)影響因素的研究。

4 結(jié) 論

(1)催化劑磨損部位主要在端面，且磨損后催化劑端面向內(nèi)凹陷，對(duì)催化端面進(jìn)行一定的硬化措施，可在一定程度上減輕飛灰對(duì)催化劑的磨損。

(2)催化劑磨損的主要因素是煙氣流速。當(dāng)煙氣流速增大時(shí)，催化劑磨損率以速度指數(shù)基本為4的規(guī)律增大。速度指數(shù)隨飛灰粒徑的增大而減小，隨著飛灰粒徑的增大，煙氣流速對(duì)催化劑磨損率的影響減弱。

(3)飛灰粒徑也是影響催化劑磨損率的重要因素，催化劑的磨損率隨著飛灰粒徑的增大而增大。粒徑指數(shù)在1附近變化，且隨空氣流速的增大而減小，說(shuō)明隨著空氣流速的增大，粒徑對(duì)催化劑磨損的影響逐漸減弱。

(4)催化劑磨損率與飛灰質(zhì)量濃度成正比，這與催化劑磨損的數(shù)學(xué)模型一致，但在相同的通灰量下，催化劑的失重大致相等，與飛灰質(zhì)量濃度的變化無(wú)關(guān)。

(5)在電廠SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡可能在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，避免局部高速，保證流場(chǎng)均勻，可有效降低飛灰的磨損能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)催化劑一定的保護(hù)，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。

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