徐克濤，何永兵，裴煜坤，張楊

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定電力供應(yīng)將長(zhǎng)期以煤炭為主。國(guó)內(nèi)已探明的無(wú)煙煤占煤炭總量的15%左右，因其低揮發(fā)分、不易著火的特點(diǎn)多適用于W形火焰鍋爐[1]。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)以其技術(shù)成熟、脫硝效率高等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于大型燃煤電廠。多數(shù)SCR脫硝裝置采用高灰布置，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，脫硝系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備及下游空氣預(yù)熱器積灰堵塞問(wèn)題往往難以避免。特別是基于W形火焰鍋爐爐內(nèi)溫度高，火焰行程長(zhǎng)，燃燒劇烈，省煤器出口煙氣流場(chǎng)分布不均等燃燒特性[2]，相關(guān)設(shè)備堵塞問(wèn)題尤為嚴(yán)重。本文結(jié)合某電廠300 MW機(jī)組脫硝裝置運(yùn)行實(shí)例，分析總結(jié)SCR脫硝裝置各設(shè)備及下游空氣預(yù)熱器積灰堵塞問(wèn)題以及應(yīng)對(duì)措施。

1 某電廠SCR脫硝裝置概述

西南地區(qū)某電廠300 MW機(jī)組采用東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的自然循環(huán)鍋爐，燃燒器布置于下?tīng)t膛前后拱上，W形火焰燃燒方式。采用SCR脫硝工藝、板式催化劑、液氨作為吸收劑，反應(yīng)區(qū)主要由進(jìn)出口煙道、導(dǎo)流板、均流裝置、噴氨格柵、催化劑和吹灰裝置組成。脫硝裝置設(shè)計(jì)煤質(zhì)及灰成分分析見(jiàn)表1，脫硝裝置設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

由表1可知，脫硝裝置設(shè)計(jì)煤質(zhì)灰分為38%，飛灰質(zhì)量濃度為45 g/m3，煙氣中灰分較大，存在積灰堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。由表2可知，設(shè)計(jì)入口NOx質(zhì)量濃度為1 100 mg/m3，出口NOx質(zhì)量濃度小于200 mg/m3，NOx脫除量較大，液氨消耗量較高，同時(shí)考慮W形火焰鍋爐的燃燒特性，進(jìn)口煙道流場(chǎng)均勻性較差，存在局部區(qū)域氨逃逸量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。此外，脫硝裝置設(shè)計(jì)煙氣溫度為380 ℃，機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行煙氣溫度偏離設(shè)計(jì)值較大，反應(yīng)器運(yùn)行效果不佳，增大氨逃逸風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)加劇積灰堵塞問(wèn)題的發(fā)生。

表1 脫硝裝置設(shè)計(jì)煤質(zhì)和灰成分分析Tab.1 Analysis on designed coal quality and ash composition of denitrification devices

表2 脫硝裝置設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of denitrification devices

2 SCR脫硝裝置及空氣預(yù)熱器堵塞問(wèn)題

停機(jī)期間檢查發(fā)現(xiàn)，脫硝裝置堵塞問(wèn)題主要發(fā)生在反應(yīng)區(qū)的相關(guān)設(shè)施上，包括導(dǎo)流板和整流層、噴氨格柵、催化劑以及空氣預(yù)熱器等。

2.1 導(dǎo)流板和整流層積灰堵塞問(wèn)題

導(dǎo)流板和整流層是脫硝系統(tǒng)重要的氣流均布裝置，平衡反應(yīng)器各處流場(chǎng)。如圖1所示，脫硝裝置進(jìn)口導(dǎo)流板積灰嚴(yán)重，水平煙道處出現(xiàn)不同程度的積灰，且整流層積灰從碎灰網(wǎng)延伸至煙道頂部。整流裝置出現(xiàn)積灰堵塞，脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)將發(fā)生變化，偏離設(shè)計(jì)參數(shù)，嚴(yán)重影響脫硝裝置的正常運(yùn)行。

圖1 導(dǎo)流板和整流層積灰堵塞問(wèn)題Fig.1 Ash deposition and blockage of the deflector and rectification layer

2.2 噴氨格柵的積灰堵塞問(wèn)題

噴氨格柵安裝在反應(yīng)器進(jìn)口垂直煙道區(qū)域，氨氣經(jīng)噴嘴射入煙道后，被來(lái)自上游的煙氣卷攜并充分混合，經(jīng)豎直煙道頂部發(fā)生兩次90°轉(zhuǎn)向后，向下通過(guò)整流格柵，進(jìn)入催化劑層發(fā)生催化還原反應(yīng)。如圖2所示，噴氨格柵多處噴嘴出現(xiàn)積灰現(xiàn)象，部分噴嘴被積灰完全覆蓋，引起局部區(qū)域噴氨不均，氨逃逸量增加，同時(shí)導(dǎo)致脫硝裝置出口排放濃度難以穩(wěn)定控制，存在超標(biāo)排放的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 噴氨格柵積灰堵塞問(wèn)題Fig.2 Ash deposition and blockage of ammonia injection grid

2.3 催化劑積灰堵塞問(wèn)題

催化劑是整個(gè)SCR脫硝裝置的核心，其性能直接影響整體脫硝效果。如圖3所示，第1、第2層催化劑表面均出現(xiàn)積灰堵塞問(wèn)題，反應(yīng)器四周形成局部堆灰，且存在催化劑磨損的問(wèn)題。分析發(fā)現(xiàn)，第1層催化劑靠近鍋爐側(cè)后墻表面堵塞后，煙氣在SCR區(qū)域流場(chǎng)出現(xiàn)改變，煙氣逐漸向反應(yīng)器未堵塞的兩側(cè)和靠近鍋爐側(cè)前墻流動(dòng)，而后墻部分由于煙氣流速降低，灰塵堵塞加劇，形成惡性循環(huán)。且第1層催化劑出現(xiàn)堵塞后，第2層催化劑表面的煙氣出現(xiàn)兩側(cè)和靠近鍋爐的前墻流動(dòng)較強(qiáng)，靠近后墻的流動(dòng)較小，使通過(guò)第1層催化劑的飛灰在第2層流速較低的位置容易沉積，通流面積逐漸減小，在引風(fēng)機(jī)的作用下，煙氣流速比第1層較快，造成第2層催化劑大面積堵塞和磨損抽芯。

2.4 空氣預(yù)熱器堵塞問(wèn)題

空氣預(yù)熱器低溫段存在一定程度上的銨鹽堵塞現(xiàn)象，積灰黏附在換熱元件表面，且有刺激性氣味散發(fā)。如圖4所示，分散控制系統(tǒng)(DCS)運(yùn)行參數(shù)顯示空氣預(yù)熱器阻力明顯上升，初始時(shí)系統(tǒng)阻力為1 400 Pa，運(yùn)行一段時(shí)間后阻力上升到1 850 Pa，既增加引風(fēng)機(jī)電耗，提高了運(yùn)行成本，又不利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，存在非計(jì)劃停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 催化劑積灰堵塞問(wèn)題Fig.3 Ash deposition and blockage of catalyst

圖4 空氣預(yù)熱器系統(tǒng)阻力運(yùn)行前后對(duì)比Fig.4 Comparison of air preheater system resistance before and after operation

3 SCR脫硝裝置堵塞問(wèn)題原因分析

3.1 大顆粒灰的影響

國(guó)內(nèi)SCR脫硝裝置多采用高塵布置，大顆粒飛灰堵塞是威脅脫硝裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。催化劑的節(jié)距有限，來(lái)自SCR反應(yīng)器上游的大顆粒飛灰或者板結(jié)成片狀的飛灰往往比催化劑的孔道要大，無(wú)法正常通過(guò)催化劑，日積月累會(huì)在催化劑表面形成積灰[3-5]。

3.2 煙氣灰分的影響

煙氣中的灰分是催化劑類(lèi)型和節(jié)距選型重要的參考依據(jù)。如圖5所示，機(jī)組設(shè)計(jì)煤質(zhì)灰分為38%，電廠常規(guī)實(shí)際運(yùn)行煤質(zhì)灰分在40%以上，部分月份煤質(zhì)平均灰分高于46%，高于設(shè)計(jì)值，超過(guò)催化劑孔道過(guò)灰能力，增大催化劑堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。此外，煙塵中堿性金屬氧化物(如K2O和Na2O)含量較高時(shí)，煙氣的黏附性強(qiáng)，較易黏附在煙道及反應(yīng)器設(shè)備上。飛灰取樣分析如圖6所示，從圖6中的分析結(jié)果來(lái)看，實(shí)際飛灰中Na2O和K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍高于設(shè)計(jì)值，飛灰的黏性較強(qiáng)，加劇積灰堵塞的形成，且堿金屬離子容易導(dǎo)致催化劑中毒，影響催化劑活性[6-7]。

圖5 入爐煤煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics on coal quality of coal as fire

圖6 飛灰取樣分析Fig.6 Fly ash sampling analysis

3.3 煙道流場(chǎng)不均勻的影響

對(duì)于W形鍋爐，煙氣在脫硝入口斷面的流場(chǎng)不均勻性較為嚴(yán)重，與原設(shè)計(jì)條件不符，造成局部區(qū)域流速和煙溫過(guò)低，灰分過(guò)大時(shí)形成積灰，同時(shí)為了保證達(dá)標(biāo)排放，會(huì)增大噴氨量，使得噴氨的不均勻性增加，局部氨逃逸增大，加劇積灰堵塞問(wèn)題。如圖7、圖8所示，脫硝裝置進(jìn)口煙氣溫度偏差為20～30 ℃，煙氣流速最大偏差為5 m/s；進(jìn)口煙道不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位煙氣O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%～5%之間分布，NOx質(zhì)量濃度在880～1 100 mg/m3之間分布，經(jīng)脫硝后出口煙道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位NOx排放濃度70～190 mg/m3之間分布，流場(chǎng)分布不均勻性較大，容易引發(fā)脫硝裝置內(nèi)各區(qū)域發(fā)生積灰堵塞問(wèn)題。

3.4 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)的影響

機(jī)組負(fù)荷、運(yùn)行控制、煤質(zhì)、上游吹灰系統(tǒng)等進(jìn)行運(yùn)行調(diào)整時(shí)，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化，引起煙氣流場(chǎng)的波動(dòng)，導(dǎo)致瞬時(shí)灰分過(guò)大而引起局部區(qū)域積灰，尤其是運(yùn)行參數(shù)頻繁發(fā)生波動(dòng)時(shí)，堵塞問(wèn)題更為顯著。

3.5 機(jī)組低參數(shù)運(yùn)行的影響

機(jī)組深度調(diào)峰或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，特別是冬季工況，煙氣溫度整體降低，考慮進(jìn)口煙道溫度偏差為20～30 ℃，反應(yīng)器部分區(qū)域煙氣溫度處于最低連續(xù)運(yùn)行煙溫320 ℃以下(如圖9所示)，催化劑微孔內(nèi)會(huì)發(fā)生副反應(yīng)生成硫酸氫銨，使得煙氣中的灰黏結(jié)成塊，形成孔道內(nèi)積灰，降低催化劑的活性[8]。

圖7 脫硝裝置進(jìn)口煙氣溫度和流速分布Fig.7 Flue gas temperature and flow rate distribution at the inlet of denitration unit

圖8 脫硝裝置進(jìn)、出口煙道質(zhì)量濃度場(chǎng)分布情況Fig.8 Flue gas concentration distribution at the inlet loutlet of denitration unit

圖9 不同負(fù)荷工況下脫硝出口煙氣溫度(12月份)Fig.9 Flue gas temperature at the outlet of denitration unit under different load conditions (December)

3.6 空氣預(yù)熱器堵塞問(wèn)題分析

空氣預(yù)熱器低溫段溫度較低，容易產(chǎn)生結(jié)露形成弱酸，造成換熱元件材料的腐蝕并黏結(jié)飛灰。煙氣流速及所攜帶的大量飛灰對(duì)換熱元件的附著物產(chǎn)生沖刷作用，當(dāng)沖刷強(qiáng)度低于飛灰的黏結(jié)速率時(shí)，黏附附著物便會(huì)不斷增長(zhǎng)，從而造成堵塞。此外，空氣預(yù)熱器堵塞與煙氣中SO3質(zhì)量濃度密切相關(guān)，當(dāng)煙氣中SO3質(zhì)量濃度較高時(shí)，即使氨逃逸量不超標(biāo)，仍可能形成銨鹽。由表2可知，入爐煤設(shè)計(jì)硫分在2.5%，對(duì)應(yīng)的入口SO3質(zhì)量濃度為70 mg/m3，考慮脫硝反應(yīng)器SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率為1%，出口SO3質(zhì)量濃度可達(dá)140 mg/m3，存在形成銨鹽的風(fēng)險(xiǎn)；且實(shí)際運(yùn)行入爐煤硫分高于設(shè)計(jì)值(見(jiàn)圖5)，造成煙氣中SO3的質(zhì)量濃度升高，更加有利于銨鹽的形成且發(fā)生沉積。

4 脫硝裝置積灰堵塞處置及預(yù)防措施

(1)設(shè)計(jì)改造措施。合理進(jìn)行脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，優(yōu)化大灰濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)和布置，防止大顆粒飛灰進(jìn)入SCR反應(yīng)器。優(yōu)化入爐煤煤質(zhì)條件，盡量燃用低灰、低硫分煤種，做好煤質(zhì)摻配，從源頭解決煙氣運(yùn)行條件[9]。利用數(shù)值模擬和冷態(tài)物理模型試驗(yàn)，重新計(jì)算SCR入口煙氣流速及流場(chǎng)分布，調(diào)整導(dǎo)流板的安裝位置和數(shù)量[10]。結(jié)合鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況，調(diào)整和選擇合適的催化劑節(jié)距和開(kāi)孔尺寸，防止催化劑堵灰。重新核算催化劑使用溫度等級(jí)，采取合適的提溫措施，如省煤器煙氣旁路、省煤器分級(jí)設(shè)置和省煤器流量置換等改造措施，避免SCR反應(yīng)器溫度維持在銨鹽沉積溫度之上，降低催化劑堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

(2)運(yùn)行與維護(hù)措施。設(shè)置足夠數(shù)量的吹灰裝置，實(shí)行定期運(yùn)行蒸汽吹灰器，調(diào)整聲波吹灰器工作頻次，與鍋爐吹灰協(xié)調(diào)進(jìn)行。進(jìn)行燃燒調(diào)整，降低飛灰可燃物含量，避免積灰燒結(jié)現(xiàn)象。嚴(yán)格監(jiān)視氨逃逸量和NOx的排放濃度，合理控制噴氨量在規(guī)定范圍。對(duì)于空氣預(yù)熱器堵塞，適當(dāng)提高煙氣溫度，加強(qiáng)空氣預(yù)熱器的吹掃，延長(zhǎng)空氣預(yù)熱器吹掃時(shí)間[11]。

(3)檢修措施。利用停機(jī)機(jī)會(huì)開(kāi)門(mén)檢查催化劑積灰情況，及時(shí)清理SCR各層及鋼梁、導(dǎo)流板積灰，確保催化劑通道暢通。更換積灰嚴(yán)重的催化劑。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著火力發(fā)電廠煙氣脫硝裝置運(yùn)行時(shí)間增加，脫硝系統(tǒng)面臨的各種問(wèn)題逐漸凸顯出來(lái)。脫硝裝置內(nèi)部積灰堵塞問(wèn)題已成為當(dāng)前SCR脫硝裝置乃至燃煤發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行的重要制約因素，總結(jié)分析造成積灰堵塞問(wèn)題并提出相應(yīng)的解決措施，對(duì)防控和應(yīng)對(duì)燃煤電廠SCR脫硝裝置積灰具有重要意義。