燃煤电站SCR脱硝系统预防大颗粒灰堵塞方法

汪洋，胡永锋

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

燃煤电站SCR脱硝系统预防大颗粒灰堵塞方法

汪洋，胡永锋

(中国华电工程(集团)有限公司，北京 100035)

大颗粒灰特别是爆米花灰的堵塞，是导致高尘布置的选择性催化还原(SCR)系统失去脱硝作用的主要原因之一，同时大颗粒灰堵塞催化剂床层严重影响锅炉主机的安全稳定运行。介绍了国外发达国家和地区的应对措施及先进技术，同时例举了国内外成功的工程案例，为预防大颗粒灰堵塞提供有益借鉴。

燃煤电站;选择性催化还原;脱硝;大颗粒灰;堵塞

我国“十二五”期间将NOx排放浓度首次列入约束性指标体系，要求在2010年的基础上减少10%，NOx排放已经成为我国“十二五”污染物减排的重点［1］。在深化节能减排背景下，脱硝事业蓬勃发展，据环境保护部预测，到2015年我国需要新增烟气脱硝容量8.17亿kW［2］，为了实现新颁布《燃煤电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)的要求，现役7.07亿kW火电机组中，约有90%的机组需要进行脱硝改造［3］，即几乎所有电站锅炉需要加装脱硝装置，而我国执行的世界上最为严格的NOx排放标准也决定了绝大部分燃煤电站锅炉需要采用SCR脱硝装置。由于我国电站锅炉的SCR脱硝装置全部采用高尘布置，所以大颗粒灰堵塞将是威胁机组安全稳定运行重要因素，如何应对大颗粒灰对脱硝系统带来的危害，是摆在我们面前紧迫的课题。SCR法脱硝技术在发达国家和地区得到了长期广泛的应用，并且积累了成熟的运行经验及事故应对措施，充分借鉴发达国家和地区的经验，结合国内实际情况，是应对大颗粒灰堵塞的捷径。

1 大颗粒灰造成的危害

大颗粒灰特别是“爆米花灰”，是一种低密度灰，疏松多孔，密度多小于水，外形不规则，很容易达到10mm及以上的尺寸，多形成于锅炉受热面表面，较难通过烟道的扩展降低流速手段使其沉降。无论是蜂窝式催化剂还是平板式催化剂，大颗粒灰只要被烟气携带到催化剂表面均会导致催化剂的堵塞，削弱整套脱硝系统的脱硝能力，一旦部分通道被堵塞，灰的堵塞面积会快速增加，致使SCR系统失去效用。我国燃煤机组燃用煤种多变，部分锅炉燃烧状况恶化，容易产生爆米花灰，而且我国脱硝装置几乎全部为高尘布置的无旁路系统，一旦出现堵塞现象会直接导致主机组非计划停机。为了防止大颗粒飞灰的堵塞，在脱硝系统设计中，发达国家和地区的一般做法是在催化剂上游应用计算流体动力学技术优化设计灰斗、设置滤网等预除尘设备，以去除烟气中携带的大颗粒飞灰。

2 防止大颗粒灰危害的技术及措施

2.1 省煤器灰斗空气动力学优化［4］

省煤器灰斗优化主要借助计算流体动力学技术进行，通过优化灰斗外形，组织流场依靠惯性将大颗粒灰引至灰斗，将大部分大颗粒灰分离。图1为常规灰斗设计，省煤器出口后墙与灰斗边缘处于同一平面，这样设计导致部分大颗粒灰随烟气进入水平烟道，通过扩大省煤器灰斗，将大颗粒灰引至灰斗侧壁对其捕集是目前国外流行的灰斗设计(见图2)，大颗粒灰与灰斗碰撞后基本被灰斗捕集。

图1 常规省煤器灰斗设计

图2 将灰斗加大后的速度矢量图和大灰粒子轨迹

在不具备对省煤器出口及灰斗外形进行优化的条件下，在省煤器出口灰斗之上加装导流挡板便成为一种行之有效的手段。国外在应对大颗粒灰堵塞研究方面做了较多工作。在SCR之前收集大颗粒灰的最佳位置在省煤器出口，主要原因是通过灰斗速度相对较低，同时烟气向下流动然后流动方向转动90°，灰颗粒在初始动力和重力的共同作用下，颗粒被惯性分离出来，没有挡板的颗粒较多的进入水平烟道，前往催化剂床层，加装挡板后，大部分颗粒被导流至灰斗壁面，与灰斗壁面碰撞后落入灰斗，从而实现对大颗粒灰的有效收集。

2.2 加装大灰滤网

2.2.1 滤网寿命［5］

滤网的侵蚀速度决定了其使用寿命，与灰的浓度以及烟气流速等因素关系密切，侵蚀方程如下:

式中:E为滤网侵蚀速率;C为常数项;M为固体流率(灰负荷);V为烟气速度;n指数项(n～2.5)。

依据滤网侵蚀速率曲线，以开孔率65.9%为基准寿命，过流速率100%和133%比较，在百分百负荷下，开孔率减到50%，侵蚀速度增加100%;如果过流速率增加到133%，在开孔率66%情况下侵蚀速率超过100%，开孔率50%条件下侵蚀速率将超过300%，因此应用大开孔率及小过流速率的滤网其寿命相对较长，是滤网选型主要考虑的方向。

通过试验以及工程实践总结的滤网材料对过流速度的耐受情况，未涂覆耐磨材料的304不锈钢平板滤网适用流速范围在15m/s以下，未涂覆耐磨材料的304不锈钢屋脊滤网适用流速范围20m/s以下，未涂覆耐磨材料的奥氏体不锈钢屋脊滤网适用流速范围20～25m/s，涂覆耐磨材料的304不锈钢屋脊滤网适用流速范围25m/s以上。

2.2.2 滤网形式

滤网的主要结构形式分平板式和屋脊式两种。平板式滤网由具有一定开孔率的金属网在一个平面上拼接而成，布置在省煤器灰斗位置。平板式滤网结构形式简单，加工制作方便，适用于安装及使用空间受限的情况。屋脊式滤网由多片平板滤网组成，搭接成一定角度组成系列板组。由于屋脊式滤网较平板式的过滤面积大幅增加，烟气通过滤网法线的流速小于平板式截面的平均流速，所以增强了抗侵蚀能力，使用寿命会大为延长，同时屋脊式滤网的压损也较低，400℃下过流速度15m/s时其压损约50Pa，所以屋脊式滤网具有长寿命低压损的优点。

应用计算流体技术对平板式和屋脊式滤网分别进行数值模拟研究，计算区域从省煤器出口至水平烟道，安装位置位于省煤器灰斗出口。结果表明，平板式滤网速度场不尽如人意，速度和灰的浓度场分布均匀度差，部分区域速度接近30m/s，过高的过流速度和不均匀的灰负荷将使滤网的寿命迅速下降，而屋脊式速度和灰的浓度场分布均匀度表现出色，速度场分布较平板式优势明显，同时灰负荷较为均匀，对于延长滤网的使用寿命大有益处。

2.2.3 滤网防堵及防侵蚀措施

大部分滤网堵塞是由于大颗粒灰尺寸稍稍大于滤网开孔尺寸，而且灰的外形呈楔形形状，不通过清理手段很难去除，一旦发生大面积堵塞，局部流速迅速升高，高速区的滤网首先被侵蚀损坏。防止滤网堵塞的手段从三个方面考虑，即采用低流速设计、加装吹灰器或设置振打装置。目前国外公司通过应用计算流体动力学手段优化灰斗流场，将流场优化与滤网相结合手段最大限度地去除LPA以及延长滤网寿命。将传统电除尘器极板振打装置用于滤网振打(如图3)，振打轴安装一系列成角度的振打锤，可以实现连续振打功能。此外，采用拉索式振动除灰方式也是一种优良的技术方案，在滤网底部链接拉索，振打时将拉索拉紧，滤网抬起，到一定高度解除拉索拉力，依靠滤网与撞击块的振动作用来清除滤网的堵灰。目前，该技术已经在国外45台机组上得到了应用［4］，运行状况良好。

图3 滤网振打装置示意

3 案例分析

美国自1994年第一台SCR反应器投运以来，发生了为数众多的大颗粒灰特别是“爆米花”灰的堵塞事件，直接导致了催化剂床层堵塞损坏，压降增加，甚至导致机组停机。近些年来通过加装适宜的大灰滤网拦截捕集大颗粒灰成为十分有效的手段。

3.1 美国门罗电厂800MW机组案例

美国门罗电厂建设4×800MW级燃煤机组，自从2002年起安装SCR装置以来，应用了多种手段解决大颗粒灰进入催化剂床层的问题都未奏效，EVONIK能源服务公司在2008年初为其4号机组提供了大灰滤网，改造过程中应用了CFD技术进行了方案优化。该机组带有省煤器旁路，当机组负荷降低、进入催化剂床层的烟气温度不能符合要求时，将通过省煤旁路将烟气引入催化剂床层，采用数值模拟分析了省煤器旁路启闭情况下的流场，应用优化的导流板组、静态混合器以及屋脊式滤网等技术完成了对该机组的改造。

由于4号机组改造后出色的表现，参照4号机组的改造方案3号机组和1号机组分别于2008年秋季及2009年初进行了改造。应用计算流体动力学手段优化以及优秀的大灰滤网方案可以完全避免大颗粒灰对SCR反应器的损坏。

3.2 国内某30万机组滤网案例

国内某厂2×350MW机组与主机同时配备SCR脱硝装置，由于锅炉厂没有对省煤器灰斗进行任何优化工作，所以工程公司在省煤器灰斗出口和反应器上升烟道结合处设置大灰滤网，滤网下方设置灰斗，汇集拦截下来的大颗粒灰，由于滤网倾斜设置，大灰滤网开孔率56%，开孔节距5mm，滤网面积28.1m2，平均速度仅11.24m/s，其较低的设计速度保障了滤网的安全稳定运行，且低流速条件下压降仅为50Pa左右。

该脱硝装置流场参数要求高，导流板组复杂，滤网安装空间狭小，加装平板式滤网成为唯一的选择。对于灰斗没有采取任何措施的情况下，灰斗出口水平烟道和反应器上升烟道弯头处安装LPA Screen是推荐的解决方案。

4 结语

基于计算流体动力学手段的灰斗优化与大灰滤网的应用具有良好的大灰拦截能力，确保了SCR脱硝系统的安全稳定运行，对于锅炉制造商应将省煤器灰斗优化与SCR反应器综合考虑，对于省煤器灰斗没有采取任何措施情况下，工程公司应考虑在省煤器灰斗出口水平烟道与反应器上升烟道弯头处设置滤网及灰斗，以确保反应器的安全稳定运行。国外多年的SCR脱硝装置运行经验告诉我们，应用灰斗优化及大灰滤网结合手段对拦截大颗粒灰防止催化剂堵塞是十分有效的手段。

［1］中央政府网数据库.中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要［EB/OL］.http://www.gov.cn/2011lh/content _1825838.htm，2011-03-16.

［2］穆运周.对《火电厂大气污染排放标准(二次征求意见稿)》的点评:脱硫脱销环保行业机遇中的发展［EB/OL］.http://vip.stock.finance.sina.com.cn/q/go.php/vReport_Show/kind/search/ rptid/933467/index.phtml，2011-04-19.

［3］GB 13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［4］Anthony Ryan，Bryce St John.SCR System Design Considerations for Popcorn Ash［M］.The Babcock＆Wilcox Company，2003.

［5］Gretta W J.A Proven，Successful Approach to the Design of SCR Large Particel Popcorn Ash Screens［C］.Foster Wheeler North A-merica Corp，2005.

Methods to mitigate effects of large particle ash on Selective Catalytic Reduction systems of coal－fired power plant

There were a number of events in the industry in which catalyst layers of SCR systems have become severely plugged with LPA also sometimes referred to as popcorn ash.Such pluggage results in increased pressure drop across the SCR reactor，decreased catalyst performance，severe erosion damage of catalyst，large particle ash even forced the boiler off line.Some case of home and abroad were analyzed.The technology coping with LPA were introduced，which offered useful reference for De－NOxdevelopment.

coal－fired power plant;SCR;denitrification;large partical ash;plugging

X701.7

B

1674－8069(2012)017－03

2011-11-19;

2012-03-17

汪洋(1980-)，男，河北保定人，工程师，主要从事电力环保技术的研发及数值模拟研究工作。E－mail:wangyang@chec.com.cn