摘要： 某電廠W型火焰鍋爐燃用高灰分無煙煤，SCR脫硝反應(yīng)器催化劑、導(dǎo)流板、整流格柵、支撐鋼梁積灰嚴重，造成了流場不均勻和催化劑堵塞，影響了SCR脫硝系統(tǒng)的性能。根據(jù)運行經(jīng)驗和CFD技術(shù)，分析得出SCR脫硝裝置積灰的原因是設(shè)計不合理、催化劑選型不合理、流場不均、吹灰效果不佳、長期低負荷運行和燃煤灰分遠超設(shè)計值。通過采用煙氣流場優(yōu)化及1∶10物理模型試驗，對導(dǎo)流板、整流格柵和頂部煙道進行了改造，同時將蜂窩式催化劑更換為板式催化劑，加裝聲波吹灰器。改造后運行3個月，對脫硝裝置進行內(nèi)部檢查，反應(yīng)器水平煙道、導(dǎo)流板積灰明顯減少，整流層未見積灰，催化劑表面和孔隙無積灰、堵塞現(xiàn)象，證明所采取的各項措施有效解決了SCR反應(yīng)器內(nèi)積灰、催化劑堵塞問題。

0 引言

目前， 燃煤電廠對氮氧化物的脫除多采用SCR 技術(shù)。某電廠2×300 MW 機組采用東方 鍋爐廠生產(chǎn)的W 型火焰鍋爐，所配套的SCR脫硝裝置（簡稱SCR）采用高灰段布置[3]。由于長期處于高塵煙氣下， 該廠SCR 反應(yīng)器發(fā)生了嚴重積灰。本文通過對高塵煙氣條件下SCR 反應(yīng)器不同部位積灰原因分析， 提出了燃用高灰分無煙煤W 型火焰鍋爐SCR 脫硝裝置預(yù)防積灰的措施。

1 概況

某電廠2 臺機組SCR脫硝裝置分別于2009 年5 月和10 月投入運行。鍋爐燃煤特性、SCR 脫硝裝置參數(shù)、催化劑參數(shù)分別如表 1 、表 2和表 3 所示。該電廠SCR 脫硝系統(tǒng)積灰部位包括： 催化劑本體、整流格柵、導(dǎo)流板及支撐鋼梁。由于催化劑堵灰分布不均，造成局部煙氣流速過高或過低，高流速區(qū)催化劑磨損增大，甚至出現(xiàn)穿孔或垮塌，而低流速區(qū)催化劑被灰徹底堵死。整流格柵孔積灰存在全堵或半堵情況，堵灰無法通過常規(guī)手段清掃或清除。導(dǎo)流板積灰主要集中在其中間支柱的部位。

2 積灰原因分析

（1）實際燃煤灰分嚴重超出設(shè)計值。某電廠燃用當?shù)亓淤|(zhì)無煙煤， 原設(shè)計煤種灰分Aa r 為32.62%，校核煤種灰分Aar 為34.38%，SCR 脫硝裝置入口煙氣含塵質(zhì)量濃度設(shè)計值為40.4 g/m3；實際燃煤灰分Aar 為40.53%~45.81%，煙塵質(zhì)量濃度為56~70 g/m3，比設(shè)計值增加40% 以上。煙氣灰含量越高、流速越低，灰顆粒在SCR 反應(yīng)器內(nèi)的聚集作用就會越明顯，因而某電廠催化劑發(fā)生堵灰問題存在一定的必然性[4-6]。

（2）催化劑選型不合理。SCR 脫硝技術(shù)的核心是催化劑[7-9]，文獻[10]指出，當煙塵質(zhì)量濃度小于30 g/m3 時宜優(yōu)先選用蜂窩式催化劑，當煙塵質(zhì)量濃度>40 g/m3 時宜優(yōu)先選用平板式催化劑。某電廠煙塵質(zhì)量濃度已達56~70 g/m3，大大超出了蜂窩式催化劑的應(yīng)用范圍，在防堵灰方面已經(jīng)不適合采用蜂窩式催化劑。

（3）SCR 反應(yīng)器煙氣設(shè)計流速偏低。某電廠SCR 反應(yīng)器截面設(shè)計較大， 根據(jù)設(shè)計煤質(zhì)計算，反應(yīng)器空塔流速為4.1 m/s，不利于煙氣對飛灰的攜帶作用，加之煙氣灰分較高和粘度較高，相較其他電廠脫硝系統(tǒng)，機組在低負荷運行時水平段煙道及導(dǎo)流板水平段積灰較多。另外，電廠長期低負荷運行，高粘度灰易出現(xiàn)板結(jié)，無法依靠系統(tǒng)運作將積灰?guī)ё摺?/p>

（4）流場不均。某電廠煙氣經(jīng)過整流格柵后流線不規(guī)整， 在防積灰板下游存在較強的回流區(qū)；在催化劑層前，氣流速度存在高速帶與低速帶相間布置。

（5）SCR 脫硝反應(yīng)器入口導(dǎo)流板設(shè)計不合理。導(dǎo)流板支架結(jié)構(gòu)占用流動空間較大，導(dǎo)流板支架的加強板后方易形成渦流，造成導(dǎo)流板上容易發(fā)生灰沉降，積灰在導(dǎo)流板上形成波浪般的形態(tài)。

（6）反應(yīng)器入口罩與整流格柵夾角較小。反應(yīng)器入口罩與整流格柵夾角為12°，且反應(yīng)器入口罩后墻頂部與整流格柵高度只有100 mm，空間較小，容易產(chǎn)生積灰。

（7）設(shè)計時未對SCR 反應(yīng)器內(nèi)的支撐、鋼梁、支架等工字鋼結(jié)構(gòu)進行包覆處理。未經(jīng)包覆的內(nèi)部構(gòu)件處形成煙氣渦流，造成工字鋼兩側(cè)積灰嚴重， 且在工況變化或吹灰時該處積灰易掉落。一旦積累形成大塊， 并掉落到催化劑表面時，掉落的塊灰不易粉碎，直接堵塞了催化劑孔道，形成了局部區(qū)域的大團堵灰。

（8）吹灰器吹灰效果不佳。SCR 反應(yīng)器每層僅安裝了3 個蒸汽吹灰器， 吹灰器每8 h 投運1 次，蒸汽吹灰器不能完全覆蓋催化劑，存在吹灰死角，部分催化劑表面的灰不能及時得到清除。

3 改進措施

3.1 SCR 流場優(yōu)化改造

3.1.1 流場優(yōu)化改造前CFD 計算結(jié)果

（1）數(shù)值模擬邊界條件。數(shù)值模擬范圍以省煤器出口煙道為進口邊界，以SCR 脫硝反應(yīng)器出口煙道為出口邊界。模擬計算認定進口邊界的煙氣速度及溫度分布均勻，經(jīng)過水平煙道、轉(zhuǎn)向煙道、豎直煙道及進入SCR 反應(yīng)器的過渡煙道后，不同的導(dǎo)流板及整流格柵布置方式會對煙氣的發(fā)展產(chǎn)生不同的影響。本文通過第1 層催化劑層前500 mm 處的8 排8 列共64 個測點來判定SCR脫硝系統(tǒng)的煙氣流場發(fā)展情況。以下速度、濃度及溫度偏差計算數(shù)據(jù)均取自第1 層催化劑層前64 個測點。模擬計算不考慮煙道桁架、內(nèi)撐桿、節(jié)點板、擋板門及積灰等因素的影響。

（ 2） 流線分布。優(yōu)化改造前額定工況條件下SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)中煙氣的流線分布如圖 1 所示。由圖 1 可見，優(yōu)化改造前煙氣經(jīng)過整流格柵后流線很不規(guī)整，整流格柵鋼梁上的防積灰板迎著氣流方向，導(dǎo)致煙氣在防積灰板下游的部分整流格柵區(qū)形成較強的回流區(qū)， 回流區(qū)發(fā)展到第1 層催化劑層前仍然得不到消除，導(dǎo)致煙氣流線與第1 層催化劑層垂直方向的夾角大于10°。

（3）速度分布。優(yōu)化改造前額定工況條件下第1 層催化劑入口截面處的氣流速度分布如圖 2所示。經(jīng)計算得出第1 層催化劑入口截面上氣流速度相對標準偏差為22.7%，大大超過文獻[11]關(guān)于SCR 反應(yīng)器內(nèi)第1 層催化劑入口截面流速相對標準偏差應(yīng)不大于15% 的要求。由于4 排整流格柵鋼梁防積灰板的作用，在催化劑層前形成了煙氣速度高速帶與低速帶相間布置的局面，嚴重影響了氣流分布的均勻性，速度過高會造成催化劑沖蝕和磨損， 速度過低會造成催化劑積灰和堵塞，從而影響催化劑的壽命和脫硝性能[12]。

（4）催化劑層前濃度和溫度分布。優(yōu)化改造前第1 層催化劑入口截面上氨體積分數(shù)相對標準偏差為2.9%，溫度最大絕對偏差不高于2℃，滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

3.1.2 SCR 流場優(yōu)化改造方案

（1）導(dǎo)流板改造。導(dǎo)流板的布置形式、結(jié)構(gòu)和數(shù)量對SCR 反應(yīng)器流場分布具有直接影響，直接關(guān)系到SCR 反應(yīng)器煙氣速度的均勻性，并影響到煙氣溫度場及飛灰的分布[13-17]。根據(jù)CFD（計算流體力學(xué)） 數(shù)值模擬計算和物理模型試驗結(jié)果，對反應(yīng)器入口導(dǎo)流板重新布置，采用薄板型式， 增加導(dǎo)流板的數(shù)量， 改變導(dǎo)流板的支撐型式，防止產(chǎn)生煙氣渦流；豎井煙道上部弧形導(dǎo)流板半徑由345 mm 增加到600 mm，同時將導(dǎo)流板水平段尾板長度由465 mm 縮短至300 mm；在水平板下方加裝1 組向下傾斜15°的導(dǎo)流板，進一步提高水平煙道和導(dǎo)流板水平段上部的流速。斜煙道入口處導(dǎo)流板數(shù)量由3 塊增加到11 塊。流場優(yōu)化改造前后反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

（2）整流格柵改造。整流格柵孔徑由100 mm×100 mm 更換成100 mm×300 mm，增大了整流格柵通流能力，降低了整流格柵孔積灰搭橋堵塞的概率。

（3）反應(yīng)器頂部斜煙道重新設(shè)計。斜煙道水平夾角由原設(shè)計12°改為16°，增大了頂部煙道斜角與整流格柵間的空間，改善了頂部斜煙道積灰條件。

（4）加裝防積灰板。反應(yīng)器內(nèi)工字鋼均采用鐵板包覆兩邊，防止形成積灰和渦流。

3.1.3 流場優(yōu)化改造后CFD 計算結(jié)果

（1）流場優(yōu)化改造后，SCR 脫硝系統(tǒng)中的流線比較規(guī)整，流線在整個SCR 脫硝系統(tǒng)中的分布比較均勻，與第1 層催化劑層垂直方向的夾角不超過10°。

（2）第1 層催化劑入口截面處的氣流速度相對標準偏差為1.9%。

（3）第1 層催化劑入口截面處的氨體積分數(shù)相對標準偏差為3.0%，溫度最大絕對偏差不高于2 ℃。

（4）2 號鍋爐SCR 流場優(yōu)化改造后，入口煙道上部仍然存在積灰，為此在原水平板下方加裝了1 組向下傾斜15°的導(dǎo)流板，以進一步提高水平段煙道和導(dǎo)流板水平段上部的流速。在50% 負荷工況條件下，加下傾斜15°導(dǎo)流板之后可將水平段煙道和第1 道導(dǎo)流板水平段上部的流速由之前的6~7 m/s 提高到7~8 m/s，50% 工況下豎直煙道上部導(dǎo)流板改造后速度云圖如圖 4 所示。運行3 個月后，檢查入口煙道上部積灰明顯減少。

3.1.4 SCR 脫硝系統(tǒng)物理模型煙花示蹤試驗

針對數(shù)值模擬得出的流場優(yōu)化方案， 按照1∶10 的比例制作了物理模型并進行了物理模型試驗[18]，煙花示蹤照片如圖 5 所示。物理模型試驗結(jié)果為：系統(tǒng)流線分布均勻，充盈度良好，無明顯回流區(qū)域，系統(tǒng)無明顯的積灰區(qū)域；在機組100%、75% 及40% 額定工況條件下，第1 層催化劑入口截面上的煙氣流速相對標準偏差分別為5.4%、5.6% 和5.5%，滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

3.2 蜂窩催化劑更換成板式催化劑

平板式催化劑在防止飛灰堵塞、抗磨損和抗中毒等方面具有很大的優(yōu)勢[19]，2014 年6 月某電廠將原蜂窩催化劑更換為板式催化劑，板式催化劑參數(shù)如表 4 所示。

3.3 吹灰系統(tǒng)優(yōu)化改造

1 臺機組SCR 脫硝系統(tǒng)增設(shè)16 臺聲波吹灰器，每層每側(cè)催化劑增加3 臺聲波吹灰器，反應(yīng)器入口增加4 臺聲波吹灰器。對吹灰器運行方式進行優(yōu)化，蒸汽吹灰器定期吹灰，3 次/天，以深度清除催化劑表面積灰， 減少催化劑堵灰的概率，同時吹灰蒸汽壓力由0.8 MPa 降至0.5 MPa；聲波吹灰器吹灰間隔時長為60 s，全天均按此方式運行，以維持催化劑表面較低的粉塵沉積。

4 效果及其評價

2014 年6 月某電廠對脫硝流場進行了優(yōu)化改造并將催化劑全部更換成板式，同時進行了吹灰系統(tǒng)優(yōu)化改造。脫硝裝置改造前后壓降對比如表 5所示。由表 5 可見，在300 MW 負荷下，催化劑阻力下降145 Pa，氨逃逸體積分數(shù)下降3.43×10-6，運行的安全性和經(jīng)濟性得到了明顯提高。

流場優(yōu)化改造和更換板式催化劑運行3 個月（運行平均負荷為額定負荷的75% 左右）后，對脫硝裝置進行內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器水平煙道、導(dǎo)流板積灰明顯減少，整流層未見積灰，催化劑表面和孔隙無積灰、堵塞現(xiàn)象（見圖 6~8），從圖 6~8 可以看出，積灰情況改善非常明顯。

5 結(jié)語

研究結(jié)果表明：（1）采用CFD 技術(shù)得到的SCR 流場優(yōu)化方案切實可行， 按優(yōu)化方案調(diào)整后，機組在額定工況條件下，SCR 反應(yīng)器煙氣流速、氨濃度、溫度偏差均滿足規(guī)范要求。（2）燃用高灰分無煙煤， 在煙氣含塵質(zhì)量濃度為56~70 g/m3 時，通過采用板式催化劑、聲波吹灰器與蒸汽吹灰器組合的運行方式，可以明顯減輕SCR 反應(yīng)器內(nèi)部積灰和催化劑堵塞現(xiàn)象。（3）在煙塵濃度比設(shè)計值增加較多時， 為減少進入SCR 反應(yīng)器內(nèi)的煙塵濃度，建議在SCR 入口豎直煙道底部增設(shè)灰斗及輸灰系統(tǒng)。