SCＲ脫硝裝置及空氣預(yù)熱器堵塞問(wèn)題

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。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，相關(guān)設(shè)備堵塞問(wèn)題尤為嚴(yán)重。本文結(jié)合某電廠300MW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。

一、某電廠SCＲ脫硝裝置概述

西南地區(qū)某電廠300MW機(jī)組采用自然循環(huán)鍋爐，燃燒器布置于下爐膛前后拱上，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45g/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1100mg/m3，出口NOx質(zhì)量濃度小于200mg/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

表2脫硝裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

二、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。

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1導(dǎo)流板和整流層積灰堵塞問(wèn)題

圖2噴氨格柵積灰堵塞問(wèn)題

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1400Pa，運(yùn)行一段時(shí)間后阻力上升到1850Pa，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

圖4空氣預(yù)熱器系統(tǒng)阻力運(yùn)行前后對(duì)比

三、SCＲ脫硝裝置堵塞問(wèn)題原因分析

3.1大顆?；业挠绊?

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。

3.2煙氣灰分的影響

煙氣中的灰分是催化劑類型和節(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。

圖5入爐煤煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)

圖6飛灰取樣分析

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5m/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880～1100mg/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70～190mg/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。

圖7脫硝裝置進(jìn)口煙氣溫度和流速分布

圖8脫硝裝置進(jìn)、出口煙道質(zhì)量濃度場(chǎng)分布情況

圖9不同負(fù)荷工況下脫硝出口煙氣溫度(12月份)

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70mg/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)140mg/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。

四、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。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。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。

(3)檢修措施。利用停機(jī)機(jī)會(huì)開門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。

五、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。