选择性催化还原大颗粒灰拦截装置效率及压降特性实验研究

岳朴杰，雷 彧，陈 晟，刘小伟，孟 磊，谷小兵

（1.大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097；2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）技术是当前燃煤电厂主流的脱硝手段[1-4]。其中，催化剂是SCR脱硝系统中的重要组件，其表面活性与使用寿命决定了整个系统的脱硝性能与经济成本[1]。当前SCR脱硝反应器多采用高尘布置，燃煤烟气中的颗粒物容易导致SCR催化剂的磨损与堵塞，影响其长期稳定运行，其中大颗粒灰是造成这种现象的主要原因之一[3]。大颗粒灰的粒径在毫米量级，此类颗粒除了容易造成催化剂通道的堵塞外，还会切削催化剂床层引起磨损[5-7]，导致催化剂的脱硝性能及其使用寿命大幅度降低，对整个SCR系统的运行维护造成负面影响，严重的堵塞甚至会影响整个发电机组的正常工作。因此，有必要在大颗粒灰进入催化剂反应器前对其进行拦截。

目前针对大颗粒灰引起的堵塞问题采用的防治措施主要有流场优化和加装大颗粒灰拦截网2类[8-9]。流场优化通过增设挡板以及省煤器灰斗扩容等方式优化流场，利用大颗粒灰自身惯性将其从烟气中分离出来[10-12]。有学者通过数值模拟的方式证明了通过合理布置导流板能够有效降低催化剂的磨损问题[13-14]。张千等[15]针对省煤器灰斗结构对灰颗粒捕集效率的影响进行了探究，发现该方案能以较小的压降阻力实现对灰颗粒的有效拦截。然而，我国电厂空间通常不支持较大规模的灰斗扩容改造，且该手段对结构设计要求高，改造成本也高，不具备在国内推广的普适性。在SCR反应器前侧烟道安装金属拦截网可以实现对大颗粒灰的捕集[16-19]。相比流场优化，该方法的优势在于成本低、拦截效率高且适用于大多数电厂，具有更广泛的应用前景[20-22]。其中，拦截效率和压降是大颗粒灰拦截网设计过程中最为重要的性能指标，两者受拦截装置开孔型式、安装位置、安装角度以及烟气流速等因素的影响[23]。当前针对大颗粒灰拦截装置效率与压降的实验数据较为缺乏，对各参数的影响规律与机理认识尚不明晰。

本文搭建了一套SCR脱硝装置冷态物理模型，并在其省煤器出口处布置大颗粒灰拦截网，探究灰斗结构、拦截网安装位置（角度）、网孔型式、颗粒粒径以及烟气流速对于拦截网压降及拦截效率的影响规律，为实际燃煤机组SCR脱硝系统大颗粒灰拦截装置的设计和安装提供参考。

1 实验系统及方法

1.1 SCR脱硝系统冷态实验平台

SCR脱硝系统冷态模型试验台如图1所示。SCR脱硝系统冷态试验平台主要包括大颗粒灰给料器、布灰器、SCR反应器物理模型、大颗粒灰拦截装置、清灰系统、尾气处理装置、引风机以及相应的速度和压降测量装置等。该冷态试验模型参照国内某600 MW燃煤电站设计，按照1:20的比例进行制作。由于拦截网安装位置位于SCR反应器前的烟道内，SCR反应器对前侧烟道的流场以及颗粒拦截效率几乎没有影响，故模型将SCR反应器部分用竖直烟道代替。整个装置的主体采用有机玻璃进行分段加工组装而成，其中省煤器灰斗、脱硝灰斗均可拆卸，以便于收集样品及清扫。大颗粒灰拦截网则由不锈钢金属板通过激光切割制成。

图1 SCR脱硝系统冷态模型实验台Fig.1 The experimental platform about cold state model of SCR denitrification system

1.2 大颗粒灰样品

大颗粒灰是指燃煤锅炉飞灰中毫米以上级的颗粒，俗称“爆米花灰”[24]。其形成的原因主要是细小飞灰在换热面（例如锅炉水冷壁）上沉积、烧结形成的结焦在外力作用下发生了破碎[6]，并被烟气携带进入烟道。所以，由此产生的大颗粒灰具有形状不规则且疏松多孔的物理特性[24]。Cherkaduvasala等人[11]通过试验测得大颗粒灰的平均质量为0.223 g，测得的平均表观密度为534 kg/m3，平均实际密度为2 022 kg/m3。

实验中大颗粒灰主要受重力与曳力作用，根据相似原理，其固体颗粒相的弗劳德数Fr及斯托克斯数St应与实际高温烟气中的大颗粒灰相近。参考大颗粒灰的形成原因和物理特性，实验采用松木颗粒（密度约为400～700 kg/m3）等效模拟大颗粒灰。实验前将松木颗粒破碎，筛分出2～5 mm和5～10 mm 2个粒径段的颗粒（图2）。假设冷态实验下的松木颗粒与实际高温烟气中的大颗粒灰二者的St数相等。取20 ℃空气动力黏度为1.79×10-5Pa·s，660 K高温烟气动力黏度约为3.25×10-5Pa·s，根据St定义式可计算得出高温烟气中的等效固体颗粒密度约为1.82倍松木颗粒密度。这证明使用松木颗粒所得实验结果可以指导密度720～1 270 kg/m3的大颗粒灰的运动和拦截规律。

图2 松木颗粒实验样品Fig.2 Pine particles used in experiments

1.3 实验条件

1）烟气流速 为了模拟锅炉负荷的影响，结合实际燃煤电厂烟道的流速范围，选择了水平烟道位置处11.5、14.0、17.0 m/s 3个流速条件进行实验。首先，测量不同流速下未安装拦截网时整个装置的压降和灰斗除灰效率，接着测量加装拦截装置后二者的变化情况，获得拦截网对于大颗粒灰拦截效率以及压降的影响。

2）拦截网开孔型式 为了分析拦截网开孔形状与开孔率的影响，选取正方形、正六边形和不同长宽比的长条形拦截网进行实验。拦截网开孔型式如图3所示。其中，正方形与正六边形开孔的内切圆半径均为5 mm，长条形的孔型分别为5 mm×10 mm与5 mm×20 mm。拦截网能通过的最大颗粒直径均为5 mm，将该尺寸定义为拦截网临界拦截直径。实际燃煤电厂加装拦截网时，可通过测量大颗粒灰粒径分布，选取合适的临界拦截直径。

图3 拦截网网孔结构示意Fig.3 Pore structures of the larger particles ash interceptor

3）拦截网安装角度及高度 为了验证拦截网安装角度及高度的影响，将拦截网的布置角度θ分别设置为60°、75°、90°（图4a)），拦截网的高度设置为10、15、20 cm分别对应水平烟道高度的50%、75%、100%（图4b)）。

图4 拦截网安装方案示意Fig.4 Different installation modes of the interceptor

4）灰斗烟道折角结构 已有研究发现省煤器灰斗上方烟道折角的长度会显著影响大颗粒灰运动轨迹以及落入灰斗的概率[15]。为此，实验采用2种不同烟道折角结构如图5所示。其中，结构2是在结构1的基础上，对折角进行了延长，改变了烟气在灰斗中的流动方向，使得大颗粒灰更多地与左侧壁面发生碰撞落入灰斗。

图5 烟道折角结构示意Fig.5 The folding angle structures above the hopper

1.4 实验流程

首先按照设计工况选取所用的拦截网并调整其安装角度，确保安装稳定后开启引风机，并通过变频器逐步增大风机的流量，使水平烟道流速达到实验设计值。待风速稳定后，通过测压孔测量各段烟道的压降情况。随后以0.5 kg/min的流量向布灰器中添加大颗粒灰样品，单次实验加入样品质量为1 kg。观察大颗粒灰的拦截与逃逸情况，待大颗粒灰分布稳定后，采用电子天平称量省煤器灰斗、脱硝灰斗、大颗粒灰拦截网、SCR反应器细筛网上的沉积的颗粒质量，获得大颗粒灰在烟道各位置处灰沉积分布情况，并计算出拦截装置对大颗粒灰的拦截效率。通过对比加装拦截网前后各测孔的压降，获得安装拦截网导致的压降增量。

2 实验结果与分析

2.1 拦截网开孔形状的影响

将拦截网安装在省煤器灰斗出口与烟道壁面呈90°处，安装高度覆盖整个烟道截面，测量不同开孔形状拦截网对大颗粒灰的拦截效率和压降阻力，结果如图6所示。

图6 拦截网开孔形状对2～5 mm大颗粒灰拦截效率和压降的影响Fig.6 Influence of pore structure on efficiency and pressure drop of the interceptor (2～5 mm large particle ash)

由图6a)可见，4种开孔形状的拦截效率接近。其中正方形和正六边形拦截网的拦截效果略优于长条形，两者压降也略大于长条形；随着颗粒释放量的增加，二者相较于长条形网孔更容易出现堵塞现象。对于粒径在5～10 mm的大颗粒灰，由于颗粒尺寸大于临界拦截直径并且拦截网覆盖整个灰斗出口截面，4种开孔形状拦截网均将该粒径范围的大颗粒灰完全拦截下来。

由图6b)可见：流速相同时，长条形拦截网所造成的压降增量明显小于正方形与六边形拦截网，且随着长条形拦截网长宽比（开孔率）增大，压降增量进一步减小；流速较低时，不同开孔形状之间压降差异较小，但随着流速增大到14.0 m/s以上时，不同开孔形状之间的压降差最大达到了100 Pa以上。因长条形拦截网开孔率高，故具有更小的压降阻力，在流速大于14.0 m/s的烟道区域，选择开孔率更高的拦截网开孔形状是非常有必要的。

2.2 拦截网安装角度的影响

在拦截网高度为10 cm，烟气流速分别为11.5、14.0、17.0 m/s的条件下，拦截网角度变化对不同粒径范围大颗粒灰的拦截效率和压降的影响规律如图7所示。从图7a)可以看出，在拦截网高度为10 cm时，随着拦截网安装角度增大，拦截网对粒径2～5 mm与5～10 mm的大颗粒灰的拦截效率均有一定程度的提升。但是由于该条件下拦截网在省煤器灰斗出口处烟道的覆盖面积较小，角度变化对拦截效率的影响并不大。5～10 mm的大颗粒灰通过角度变化，拦截效率最高提升约9%；2～5 mm的大颗粒灰拦截效率提升仅约为5%。可见，拦截网安装角度变化对于粒径5～10 mm的大颗粒灰拦截效率提升更明显。这个规律在拦截网高为15、20 cm的工况下依然成立，拦截网高度越高，角度变化对拦截效率的提升越明显。当拦截网高度为10 cm，安装角度从75°增大到90°时，5～10 mm大颗粒灰的拦截效率提升约3%；而当高度为20 cm时，安装角度从75°增大到90°时，5～10 mm大颗粒灰的拦截网效率提升接近10%。

图7 拦截网安装角度的影响Fig.7 Influence of installation angle of the interceptor on efficiency and pressure drop

从图7d)中可以看出，随着安装角度的增大，拦截网所造成的压降增也逐渐增大。这是由于安装角度增大，拦截网迎风面积增加，导致其对流场的扰动逐渐增大。当拦截网安装角度大于75°时，拦截效率提升不再明显，但压降仍随角度增加而急剧增大。因此，拦截网安装角度在75°～85°效果较好。

2.3 拦截网高度的影响

拦截网高度对拦截效率及压降的影响如图8所示。由图8a)可见：在烟气流速为14.0 m/s的条件下，拦截网安装角度为90°时，随着拦截网高度的增大，2种粒径范围大颗粒灰的拦截效率均有所提高；在拦截网安装角度为75°时，拦截网高度从10 cm增至15 cm时，拦截效率略有增加，但当拦截网高度进一步增至20 cm时，效率开始迅速降低；在拦截网安装角度为60°时，拦截效率与安装高度呈负相关。拦截网效率随高度下降的原因是当角度布置小于75°时，拦截网高度过大容易导致部分大颗粒灰碰撞在拦截网的背风面，弹入水平烟道而逃逸，从而使得拦截效率下降。

图8 拦截网高度对拦截效率及压降的影响Fig.8 Effect of interceptor height on efficiency and pressure drop

由图8b)可见，拦截网安装角度为90°时，拦截网所造成的压降增量随拦截网高度的增大而增大，压降增量随高度的增长呈准线性增长。这是由于在安装角度一定的情况下，拦截网的迎风面积随着高度呈线性增长。综上，拦截网安装高度的选取需充分考虑安装角度的影响以及拦截网引起的压降增量。

2.4 烟气流速的影响

烟气流速对于大颗粒灰拦截效率的影响如图9所示。由图9可见，所有的工况下烟气流速的增大均会使得拦截效率有一定程度的下降。对于粒径在2～5 mm的大颗粒灰，当烟气流速由11.5 m/s增大到17.0 m/s时，其拦截效率下降约10 %。此外，粒径2～5 mm的大颗粒灰的拦截效率下降更为明显。这是由于粒径2～5 mm的大颗粒灰随流性更好，更容易受流速变化影响，并且颗粒动能随流速增加，与拦截网碰撞更为剧烈，更容易从拦截网的开孔处穿过。流速增加增大了颗粒所受的曳力和颗粒动能，从而增加了颗粒灰从拦截网未遮挡区域以及网孔穿过的概率，降低了拦截效率。

图9 烟气流速对拦截效率的影响Fig.9 Influence of flue gas velocity on interception efficiency

2.5 灰斗烟道折角结构的影响

在流速为14.0 m/s、拦截网高度为15 cm时，2种灰斗烟道折角结构（图5）下，大颗粒灰拦截效率随安装角度的变化规律如图10所示。由图10可见，大颗粒灰拦截效率均随安装角度的增大而增大，证明即便烟道折角结构有所改变，大颗粒灰拦截效率随安装角度的变化规律保持不变。由于结构2烟道折角的延长，拦截网安装角度小于75°时，可避免出现大颗粒灰撞击拦截网背面后反弹进入水平烟道的情况，所以其拦截效率并未出现明显下降。综上所述，结构2的整体拦截效果比结构1更好，实现其压降小于150 Pa，且对5～10 mm的大颗粒灰拦截效率达到9.5以上。

图10 2种烟道折角结构下大颗粒灰拦截效率Fig.10 The interception efficiency of large particle ash for two folding angle structures

3 结 论

本文采用冷态物理模型实验台，测量在SCR反应器前加装大颗粒灰拦截装置后系统的压降及大颗粒灰拦截效率的变化，探究了灰斗结构、拦截网安装方式、网孔型式、颗粒粒径以及烟气流速对于拦截网压降及拦截效率的影响规律，得到如下结论。

1）加装拦截网装置能实现大颗粒灰的高效拦截。在相同临界拦截尺寸下，长条形拦截网的压降阻力明显小于正方形与正六边形拦截网。正方形与正六边形拦截网对于粒径在2～5 mm的大颗粒灰拦截效果更优，但长时间运行也更容易发生堵塞现象。

2）拦截网安装角度是影响其压降与拦截效率的关键参数。拦截效率会随着拦截网安装角度的增大而增大，且拦截网高度越高这一提升效果越明显（最大可达10%）。安装角度的增大也会造成压降的增大。根据实验结果，拦截网安装角度在75°～85°综合效果较好。

3）拦截效率随拦截网高度的变化关系取决于其安装角度的大小。当安装角度在75°～90°时，二者为正相关；但当安装角度小于75°时，拦截网高度的增大反而会使得拦截效率有所降低。同时拦截网高度的增大亦会导致拦截装置压降阻力的增大。

4）拦截效率与烟气流速呈负相关，压降与流速呈正相关。延长省煤器灰斗上方烟道折角能在一定程度上提升灰斗对大颗粒灰的拦截效率。通过合理选择拦截网的安装方式可以实现其压降小于150 Pa，且对5～10 mm的大颗粒灰拦截效率达到9.5以上。