王為，王樂樂，孔凡海，陳牧，姚燕，雷嗣遠(yuǎn)

WANG Wei1，WANG Lele2*，KONG Fanhai2，CHEN Mu1，YAO Yan2，LEI Siyuan2

（1.中南電力設(shè)計院有限公司，武漢430071；2.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州215153）

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute Company Limited，Wuhan 430071，China；2.Suzhou Branch，Xi′an Thermal Power Research Institute Company Limited，Suzhou 215153，China）

0 引言

當(dāng)前，國內(nèi)外火電廠選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)主要有高溫高塵布置、高溫低塵布置和低溫低塵布置3 種類型，考慮初始投資和運行中的能耗問題，高溫高塵工藝的應(yīng)用最廣［1］。隨著火電廠煙氣高溫除塵技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)材料制造工藝水平的發(fā)展，從提高除塵效率、保護(hù)SCR 脫硝催化劑等角度出發(fā)，采用高溫低塵布置的高溫除塵脫硝一體化裝置再次受到廣泛關(guān)注［2-4］。研究高溫低塵布置對SCR 催化劑的設(shè)計選型、設(shè)備運行可靠性及壽命等方面的影響，對高溫除塵脫硝一體化技術(shù)的開發(fā)具有重要意義［5-7］。

本文以某350 MW 燃煤發(fā)電機組的高溫除塵脫硝一體化示范項目為研究對象，分析采用常規(guī)高溫高塵布置和高溫低塵的一體化布置時SCR 脫硝裝置的煙氣成分（含煙塵質(zhì)量濃度）、流場分布等煙氣參數(shù)對SCR 脫硝催化劑選型、技術(shù)性能、使用壽命、運行可靠性的影響［8］，獲得普適性的規(guī)律，為同類機組的SCR 脫硝催化劑選型設(shè)計及建造運行提供依據(jù)。

1 高溫除塵脫硝一體化裝置

1.1 火電廠設(shè)備基本參數(shù)

火電廠常規(guī)環(huán)保設(shè)備采用中∕高溫高塵布置的SCR 脫硝裝置并將其布置在除塵器上游。與之相比，煙氣高溫除塵脫硝一體化裝置將除塵設(shè)備前置于空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）上游，可同時實現(xiàn)煙塵和NOx污染物的超低排放，該裝置的工藝系統(tǒng)流程為：鍋爐→高溫除塵脫硝一體化裝置（包括電袋除塵器和SCR 煙氣脫硝裝置）→空預(yù)器→高效石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置→煙囪。本研究中的350 MW 機組鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式，燃煤特性見表1。在脫硝系統(tǒng)采用常規(guī)高溫高塵布置工藝時，其在額定工況下的設(shè)計脫硝裝置入口煙氣參數(shù)見表2。

原煙氣NOx質(zhì)量濃度為300.0 mg∕m3，脫硝效率不低于85.0%，可達(dá)到《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》中的NOx超低排放要求（＜50 mg∕m3）。采用除塵脫硝一體化工藝時，SCR脫硝布置在超凈電袋除塵器下游，設(shè)計脫硝入口煙氣的含塵量（質(zhì)量濃度，下同）僅為10.0 mg∕m3，其他煙氣參數(shù)與采用常規(guī)高溫高塵布置工藝時相同。

表1 鍋爐煤質(zhì)特性Tab. 1 Coal analysis for the boiler

由于采用一體化工藝的除塵器布置在300～400 ℃的高溫?zé)煔鈪^(qū)域，濾袋采用合金纖維濾料，具有耐高溫、耐氣體腐蝕、過濾性能優(yōu)良、高強度、高韌性、易清灰、機械性能好等特點。該高溫超凈電袋除塵器采用橫向雙列雙室、縱向2 電區(qū)3 袋區(qū)的布置方案，占地尺寸（長×寬）為32.05 m×41.60 m。與常規(guī)電袋除塵器相比，雖然一體化設(shè)備占地稍大，但運行阻力基本相當(dāng)，且濾袋整體使用壽命大大延長。

表2 350 MW機組高溫高塵布置的脫硝裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of the high-temperature highdust denitration device for the 350 MW unit

1.2 一體化裝置的布置方案

為掌握一體化布置工藝下高溫除塵器與SCR脫硝裝置的最佳組合布置結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了計算流體動力學(xué)（CFD）仿真模擬［7，9］，重點考察了不同布置結(jié)構(gòu)對脫硝催化劑入口煙氣流場的影響，通過對比3 種組合布置方案（方案A：催化劑直接布置在電袋除塵器上方，氣流流動為“下進(jìn)上出”；方案B：催化劑布置在電袋除塵器下游水平煙道內(nèi)，氣流流動為“側(cè)進(jìn)側(cè)出”；方案C：催化劑布置在電袋除塵器下游轉(zhuǎn)彎后的豎直煙道內(nèi)，氣流流動為“上進(jìn)下出”）。綜合考慮催化劑入口煙氣流場整體最佳和裝置所占空間，優(yōu)選圖1 中的布置方式（方案A）：即SCR 噴氨格柵布置在高溫除塵器入口煙道上；設(shè)置一個脫硝反應(yīng)器并直接布置在電袋除塵器的袋區(qū)出口上方，不增加占地，氣流流動方向為“下進(jìn)上出”時煙氣流場效果最好，此時各部分流場指標(biāo)見表3。

通常，高溫高塵型布置的SCR 脫硝裝置反應(yīng)器內(nèi)第1 層催化劑入口煙氣參數(shù)的均勻性指標(biāo)如下：速度相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（Cv）≤10%；溫度最大偏差≤10 ℃；煙氣入射催化劑最大偏角（與垂直方向的夾角）≤10°；NH3∕NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%［10-12］。根據(jù)流場模擬結(jié)果，在本研究中，經(jīng)過高溫電袋除塵器均流孔板及除塵器內(nèi)部布袋導(dǎo)流、均流后，進(jìn)入第1 層催化劑上游煙氣速度的Cv為5.5%，NH3∕NOx分布相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%，入射角偏差＜6°。這說明采用該一體化布置方案后的流場較為均勻，達(dá)到了同類型高溫高塵布置工藝的流場指標(biāo)。

表3 最優(yōu)布置方案的整體模型模擬結(jié)果Tab. 3 Simulation results of the model with the optimal layout

圖1 最佳除塵脫硝一體化布置方案Fig.1 Optimal layout of the dedusting and denitration integrated device

2 催化劑選型分析

與常規(guī)高溫高塵SCR 煙氣脫硝工藝相比，高溫除塵脫硝一體化脫硝工藝采用緊湊式布置，對節(jié)省現(xiàn)場安裝空間、改善脫硝入口煙氣流場、降低脫硝設(shè)備初始投資有一定作用。另外，一體化布置的SCR 脫硝系統(tǒng)入口煙氣煙塵質(zhì)量濃度極低，這將影響催化劑的設(shè)計選型、運行可靠性、經(jīng)濟(jì)性、壽命和氨逃逸率，以下將從這5 個方面對該布置方式進(jìn)行分析論證。

2.1 催化劑的選型設(shè)計

2.1.1影響催化劑選型的因素

當(dāng)前，燃煤電廠廣泛應(yīng)用的SCR 脫硝催化劑主要有蜂窩式、平板式和波紋板式3 種類型。針對燃煤電廠SCR 催化劑設(shè)計，首先要了解影響催化劑選型的因素。通常，影響催化劑設(shè)計選型和設(shè)計余量的主要因素有SCR 脫硝裝置入口煙氣參數(shù)、鍋爐煤質(zhì)、飛灰化學(xué)成分以及煙氣流場等［13-14］。針對本研究中的高溫除塵脫硝一體化布置方案，入口煙氣中煙塵質(zhì)量濃度不高于10 mg∕m3，宜優(yōu)先選擇小孔徑蜂窩式催化劑或波紋板式催化劑，綜合考慮體積因素，本方案選擇蜂窩式催化劑，并從選型設(shè)計、壽命分析、經(jīng)濟(jì)性分析等方面進(jìn)行研究。

與常規(guī)高溫高塵型脫硝布置工藝相比，高溫低塵SCR 脫硝工藝的主要特點在于脫硝裝置入口煙氣灰含量低，催化劑在“清潔環(huán)境”條件下具有更好的流場適應(yīng)性和抗磨損、防堵灰的能力，催化劑堵塞的設(shè)計裕量可大大降低；同時飛灰含量降低后，催化劑燃料特性設(shè)計裕量也可相應(yīng)減小。在2種布置工藝下，催化劑相對體積量變化如圖2 所示。根據(jù)測算，達(dá)到同等脫硝性能時高溫低塵布置的催化劑設(shè)計裕量較高溫高塵布置時的減少約20%。

圖2 2種布置工藝下的催化劑設(shè)計相對體積示意Fig.2 Relative volume factors of catalyst within two layouts

2.1.2 催化劑選型設(shè)計方案

蜂窩式催化劑的孔數(shù)設(shè)計主要取決于其應(yīng)用條件下的煙氣含塵量，根據(jù)催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域可選擇相應(yīng)的孔數(shù)（x 孔指孔數(shù)為x×x）：（1）燃煤機組根據(jù)煙氣含塵量不同，催化劑通常選擇15～25 孔；（2）垃圾電廠及非電領(lǐng)域等低塵環(huán)境通常選擇30～45孔；（3）燃?xì)廨啓C發(fā)電機組和燃?xì)忮仩t基本處在無灰的環(huán)境，多選擇50～75 孔型催化劑。本文高溫除塵脫硝一體化工藝的SCR 催化劑可參照第2類設(shè)計選型［15］，采用35 孔蜂窩式催化劑；采用常規(guī)高溫高塵工藝時，蜂窩式催化劑的孔數(shù)按照20考慮。

按照高溫除塵脫硝一體化布置和常規(guī)高溫高塵布置分別進(jìn)行催化劑設(shè)計，2 種方案的主要技術(shù)參數(shù)見表4。

根據(jù)該項目的煙氣參數(shù)（脫硝裝置入口NOx質(zhì)量濃度為300 mg∕m3，脫硝效率不低于85%，氨逃逸率不超過3×10-6，SO2∕SO3轉(zhuǎn)化率不高于1.0%）設(shè)計催化劑。由于高溫除塵脫硝一體化布置工藝催化劑用量較小，單層催化劑單元體高度僅417 mm，可將2 層催化劑合并為1 層，即反應(yīng)器催化劑按照“1+1”布置模式，單元體高度為834 mm。與常規(guī)高溫高塵工藝下催化劑的“2+1”布置模式相比，可減小脫硝反應(yīng)器設(shè)計高度，從而降低SCR脫硝工程造價。

表4 催化劑設(shè)計技術(shù)參數(shù)Tab.4 The technical parameters of catalyst design

圖3 脫硝催化劑磨損與堵灰狀況Fig.3 Pictures of the worn and ash blocked denitration catalyst

2.3 運行可靠性評估

采用高溫高塵布置的SCR 脫硝系統(tǒng)在日常運行中常見的催化劑事故有催化劑磨損、堵灰、低溫中毒、堿金屬∕堿土金屬中毒、砷中毒等［13］。而采用高溫除塵脫硝一體化工藝后，進(jìn)入脫硝催化劑的煙氣含塵量大大降低，可有效降低催化劑磨損、堵灰風(fēng)險，并在一定程度上減緩催化劑的化學(xué)中毒速度。

2.3.1 降低催化劑磨損堵灰風(fēng)險

常規(guī)高溫高塵型SCR 脫硝設(shè)備運行過程中，由于煙氣中飛灰含量高、催化劑本身強度差、脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速分布不均及蒸汽吹灰器運行參數(shù)不合理等，造成催化劑磨損、穿孔、甚至坍塌。催化劑磨損會使催化劑的物理結(jié)構(gòu)遭到破壞，如圖3a所示；催化劑表面積灰和孔道堵塞是最常見的物理失活現(xiàn)象，如圖3b所示。催化劑堵灰后減少了催化劑的有效反應(yīng)面積，被堵塞區(qū)域的脫硝潛能無法有效發(fā)揮，使催化劑的整體性能下降，無法滿足使用要求。

本文的研究對象采用高溫除塵脫硝一體化布置，將進(jìn)入SCR 脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣中含塵量降低到10 mg∕m3以內(nèi)，可有效降低對催化劑的沖刷磨損和堵灰風(fēng)險，避免催化劑出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和堵灰現(xiàn)象。同時，由于正常聲波吹灰即可滿足催化劑清灰要求，脫硝系統(tǒng)無需加裝蒸汽吹灰器，可避免因蒸汽吹灰操作不當(dāng)造成催化劑吹損的風(fēng)險，從而降低系統(tǒng)運行風(fēng)險，提高脫硝設(shè)備運行可靠性。

2.3.2 提高催化劑對流場不均的適應(yīng)性

常規(guī)高溫高塵型SCR 布置方式，需要考慮催化劑的磨損、堵灰問題：流速低雖有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，但易造成催化劑孔內(nèi)堵灰；而流速過高則會加劇煙氣中飛灰顆粒對催化劑的沖刷磨損。因此，催化劑孔內(nèi)流速設(shè)計通常為5～7 m∕s。采用高溫除塵脫硝一體化布置，脫硝入口煙氣中含塵量極低，在實際運行中當(dāng)反應(yīng)器截面上局部煙氣流速偏高或煙氣入射角偏差較大時，對催化劑的沖刷磨蝕速度亦會明顯低于同等條件下高溫高塵布置的催化劑，從而降低運行事故的風(fēng)險。

2.4 催化劑壽命分析

本項目脫硝系統(tǒng)采用高溫低塵布置，進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣較為清潔，催化劑運行中因磨損、孔道堵灰造成失活概率較小，但灰分中K，Na，Ca 及煙氣中的As，P 等有毒成分仍可能造成催化劑化學(xué)中毒［16-18］?？紤]到飛灰含量極低，日常運行中細(xì)微飛灰造成的催化劑微觀孔道堵塞和催化劑活性位遮蔽的速度會降低，催化劑失活速率會低于同等條件下高塵布置方式。根據(jù)相關(guān)研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，典型催化劑性能隨運行時間劣化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同布置工藝下催化劑性能劣化曲線Fig.4 Degradation curves of the catalyst under different layouts

在不發(fā)生催化劑質(zhì)量問題或其他異常運行事故時，高塵布置下的催化劑活性年劣化速率通常在6%～10%［19］；項目檢測結(jié)果表明，低塵布置下的催化劑活性年劣化速率通常在3%～6%。在催化劑質(zhì)量較好，且留有一定體積余量的情況下，對照常規(guī)高溫高塵SCR 布置方式下催化劑設(shè)計化學(xué)壽命24 000 h（約3年），該項目催化劑在對應(yīng)低塵環(huán)境條件下的化學(xué)使用壽命預(yù)計為5～6 年。

2.5 運行經(jīng)濟(jì)性分析

本文研究對象采用高溫除塵脫硝一體化布置，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，催化劑在低塵條件下運行，在達(dá)到同等脫硝效果所需催化劑體積量少于常規(guī)高溫布置方式。另外噴氨格柵布置于除塵器入口煙道，通過袋式除塵器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強化氨氮混合效果［20］，降低脫硝設(shè)備初投資。同時因入口煙道短且內(nèi)部布置的導(dǎo)流∕整流裝置少，系統(tǒng)阻力低，對應(yīng)引風(fēng)機電耗小。

以常規(guī)2×350 MW 工程脫硝系統(tǒng)的初投資為參考，一體化布置方式較常規(guī)高溫高塵SCR 布置工藝有一定優(yōu)勢，2 種SCR 布置方式下的全年運行成本分析見表5。高溫除塵脫硝一體化布置的SCR 脫硝裝置與常規(guī)高溫高塵布置工藝相比每年可節(jié)省運行成本約200 萬元。

表5 2種布置工藝的運行成本分析Tab. 5 The operation cost analysis of two layout processes

2.6 氨逃逸情況分析

煙氣SCR 脫硝裝置的出口氨逃逸率的設(shè)計通?？刂圃?×10-6以下，未反應(yīng)的氨氣主要與煙氣中的SO3及飛灰在低溫下發(fā)生固化反應(yīng)，根據(jù)德國電廠的運行經(jīng)驗［21］：約20%的氨以硫酸鹽形式黏附在空預(yù)器表面，約80%的氨進(jìn)入電除塵器黏附在飛灰上，少于2%的氨進(jìn)入濕法脫硫溶液，少于1%的氨以氣態(tài)形式隨煙氣排放。當(dāng)灰中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過80×10-6時，會散發(fā)出氨的氣味而影響銷售。本文除塵器布置在SCR 脫硝催化劑上游，除塵器所處溫度窗口溫度基本上在300 ℃以上，該溫度下飛灰基本不吸附氨［22］，因此進(jìn)入除塵器灰斗及最終進(jìn)入灰?guī)斓姆勖夯一静缓睔?，可避免因灰中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高而影響粉煤灰的銷售與綜合利用。

同時，本研究對象的高溫電袋除塵器布置在SCR 脫硝裝置上游，還可降低硫酸氫銨帶來的布袋除塵器“糊袋”和電除塵器極板極線“裹灰”風(fēng)險。

3 結(jié)論

（1）高溫除塵脫硝一體化布置工藝的SCR 催化劑在相對“清潔環(huán)境”下運行，可采用35孔的小孔徑蜂窩催化劑，有助于降低催化劑的體積用量和SCR裝置的布置空間。

（2）該布置方式可大幅降低催化劑的堵灰和磨損風(fēng)險，提高脫硝設(shè)備運行可靠性。與常規(guī)高溫高塵SCR 布置工藝下催化劑化學(xué)壽命（3 年）相比，在排除催化劑質(zhì)量問題和異常失活運行事故情形后，該布置方式下的催化劑使用壽命可延長約1倍。

（3）高溫除塵脫硝一體化布置可明顯降低SCR脫硝設(shè)備的初投資和運行成本。并可在一定程度上降低因SCR 運行不佳帶來的灰中帶氨的問題，提高機組整體運行安全性和經(jīng)濟(jì)性。