W型锅炉SCR脱硝装置积灰原因分析与治理

W型锅炉SCR脱硝装置积灰原因分析与治理摘要：某电厂W型火焰锅炉燃用高灰分无烟煤，SCR脱硝反应器催化剂、导流板、整流格栅、支撑钢梁积灰严峻，造成了流场不匀称和催化剂堵塞，影响了SCR脱硝系统的性能。依据运行阅历和CFD技术，分析得出SCR脱硝装置积灰的缘由是设计不合理、催化剂选型不合理、流场不均、吹灰效果不佳、长期低负荷运行和燃煤灰分远超设计值。通过采纳烟气流场优化及1∶10物理模型试验，对导流板、整流格栅和顶部烟道进行了改造，同时将蜂窝式催化剂更换为板式催化剂，加装声波吹灰器。改造后运行3个月，对脱硝装置进行内部检查，反应器水平烟道、导流板积灰明显削减，整流层未见积灰，催化剂表面和孔隙无积灰、堵塞现象，证明所实行的各项措施有效解决了SCR反应器内积灰、催化剂堵塞问题。0引言目前，燃煤电厂对氮氧化物的脱除多采纳SCR技术。某电厂2×300MW机组采纳东方锅炉厂生产的W型火焰锅炉，所配套的SCR脱硝装置（简称SCR）采纳高灰段布置[3]。由于长期处于高尘烟气下，该厂SCR反应器发生了严峻积灰。本文通过对高尘烟气条件下SCR反应器不同部位积灰缘由分析，提出了燃用高灰分无烟煤W型火焰锅炉SCR脱硝装置预防积灰的措施。1概况某电厂2台机组SCR脱硝装置分别于2009年5月和10月投入运行。锅炉燃煤特性、SCR脱硝装置参数、催化剂参数分别如表1、表2和表3所示。该电厂SCR脱硝系统积灰部位包括：催化剂本体、整流格栅、导流板及支撑钢梁。由于催化剂堵灰分布不均，造成局部烟气流速过高或过低，高流速区催化剂磨损增大，甚至消失穿孔或垮塌，而低流速区催化剂被灰彻底堵死。整流格栅孔积灰存在全堵或半堵状况，堵灰无法通过常规手段清扫或清除。导流板积灰主要集中在其中间支柱的部位。2积灰缘由分析（1）实际燃煤灰分严峻超出设计值。某电厂燃用当地劣质无烟煤，原设计煤种灰分Aar为32.62%，校核煤种灰分Aar为34.38%，SCR脱硝装置入口烟气含尘质量浓度设计值为40.4g/m3；实际燃煤灰分Aar为40.53%~45.81%，烟尘质量浓度为56~70g/m3，比设计值增加40%以上。烟气灰含量越高、流速越低，灰颗粒在SCR反应器内的聚集作用就会越明显，因而某电厂催化剂发生堵灰问题存在肯定的必定性[4-6]。（2）催化剂选型不合理。SCR脱硝技术的核心是催化剂[7-9]，文献[10]指出，当烟尘质量浓度小于30g/m3时宜优先选用蜂窝式催化剂，当烟尘质量浓度40g/m3时宜优先选用平板式催化剂。某电厂烟尘质量浓度已达56~70g/m3，大大超出了蜂窝式催化剂的应用范围，在防堵灰方面已经不适合采纳蜂窝式催化剂。<imgalt=“1.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507086003.jpg”/（3）SCR反应器烟气设计流速偏低。某电厂SCR反应器截面设计较大，依据设计煤质计算，反应器空塔流速为4.1m/s，不利于烟气对飞灰的携带作用，加之烟气灰分较高和粘度较高，相较其他电厂脱硝系统，机组在低负荷运行时水平段烟道及导流板水平段积灰较多。另外，电厂长期低负荷运行，高粘度灰易消失板结，无法依靠系统运作将积灰带走。<imgalt=“2.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507086206.jpg”/（4）流场不均。某电厂烟气经过整流格栅后流线不规整，在防积灰板下游存在较强的回流区；在催化剂层前，气流速度存在高速带与低速带相间布置。（5）SCR脱硝反应器入口导流板设计不合理。导流板支架结构占用流淌空间较大，导流板支架的加强板后方易形成涡流，造成导流板上简单发生灰沉降，积灰在导流板上形成波浪般的形态。（6）反应器入口罩与整流格栅夹角较小。反应器入口罩与整流格栅夹角为12°，且反应器入口罩后墙顶部与整流格栅高度只有100mm，空间较小，简单产生积灰。（7）设计时未对SCR反应器内的支撑、钢梁、支架等工字钢结构进行包覆处理。未经包覆的内部构件处形成烟气涡流，造成工字钢两侧积灰严峻，且在工况变化或吹灰时该处积灰易掉落。一旦积累形成大块，并掉落到催化剂表面时，掉落的块灰不易粉碎，直接堵塞了催化剂孔道，形成了局部区域的大团堵灰。（8）吹灰器吹灰效果不佳。SCR反应器每层仅安装了3个蒸汽吹灰器，吹灰器每8h投运1次，蒸汽吹灰器不能完全掩盖催化剂，存在吹灰死角，部分催化剂表面的灰不能准时得到清除。3改进措施3.1SCR流场优化改造3.1.1流场优化改造前CFD计算结果（1）数值模拟边界条件。数值模拟范围以省煤器出口烟道为进口边界，以SCR脱硝反应器出口烟道为出口边界。模拟计算认定进口边界的烟气速度及温度分布匀称，经过水平烟道、转向烟道、竖直烟道及进入SCR反应器的过渡烟道后，不同的导流板及整流格栅布置方式会对烟气的进展产生不同的影响。本文通过第1层催化剂层前500mm处的8排8列共64个测点来判定SCR脱硝系统的烟气流场进展状况。以下速度、浓度及温度偏差计算数据均取自第1层催化剂层前64个测点。模拟计算不考虑烟道桁架、内撑杆、节点板、挡板门及积灰等因素的影响。（2）流线分布。优化改造前额定工况条件下SCR烟气脱硝系统中烟气的流线分布如图1所示。由图1可见，优化改造前烟气经过整流格栅后流线很不规整，整流格栅钢梁上的防积灰板迎着气流方向，导致烟气在防积灰板下游的部分整流格栅区形成较强的回流区，回流区进展到第1层催化剂层前仍旧得不到消退，导致烟气流线与第1层催化剂层垂直方向的夹角大于10°。<imgalt=“3.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507080061.jpg”/（3）速度分布。优化改造前额定工况条件下第1层催化剂入口截面处的气流速度分布如图2所示。经计算得出第1层催化剂入口截面上气流速度相对标准偏差为22.7%，大大超过文献[11]关于SCR反应器内第1层催化剂入口截面流速相对标准偏差应不大于15%的要求。由于4排整流格栅钢梁防积灰板的作用，在催化剂层前形成了烟气速度高速带与低速带相间布置的局面，严峻影响了气流分布的匀称性，速度过高会造成催化剂冲蚀和磨损，速度过低会造成催化剂积灰和堵塞，从而影响催化剂的寿命和脱硝性能[12]。（4）催化剂层前浓度和温度分布。优化改造前第1层催化剂入口截面上氨体积分数相对标准偏差为2.9%，温度最大肯定偏差不高于2℃，满意技术规范的要求。3.1.2SCR流场优化改造方案（1）导流板改造。导流板的布置形式、结构和数量对SCR反应器流场分布具有直接影响，直接关系到SCR反应器烟气速度的匀称性，并影响到烟气温度场及飞灰的分布[13-17]。依据CFD（计算流体力学）数值模拟计算和物理模型试验结果，对反应器入口导流板重新布置，采纳薄板型式，增加导流板的数量，转变导流板的支撑型式，防止产生烟气涡流；竖井烟道上部弧形导流板半径由345mm增加到600mm，同时将导流板水平段尾板长度由465mm缩短至300mm；在水平板下方加装1组向下倾斜15°的导流板，进一步提高水平烟道和导流板水平段上部的流速。斜烟道入口处导流板数量由3块增加到11块。流场优化改造前后反应器结构如图3所示。<imgalt=“4.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507096146.jpg”/（2）整流格栅改造。整流格栅孔径由100mm×100mm更换成100mm×300mm，增大了整流格栅通流力量，降低了整流格栅孔积灰搭桥堵塞的概率。（3）反应器顶部斜烟道重新设计。斜烟道水平夹角由原设计12°改为16°，增大了顶部烟道斜角与整流格栅间的空间，改善了顶部斜烟道积灰条件。<imgalt=“5.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507092331.jpg”/（4）加装防积灰板。反应器内工字钢均采纳铁板包覆两边，防止形成积灰和涡流。3.1.3流场优化改造后CFD计算结果（1）流场优化改造后，SCR脱硝系统中的流线比较规整，流线在整个SCR脱硝系统中的分布比较匀称，与第1层催化剂层垂直方向的夹角不超过10°。（2）第1层催化剂入口截面处的气流速度相对标准偏差为1.9%。（3）第1层催化剂入口截面处的氨体积分数相对标准偏差为3.0%，温度最大肯定偏差不高于2℃。（4）2号锅炉SCR流场优化改造后，入口烟道上部仍旧存在积灰，为此在原水平板下方加装了1组向下倾斜15°的导流板，以进一步提高水平段烟道和导流板水平段上部的流速。在50%负荷工况条件下，加下倾斜15°导流板之后可将水平段烟道和第1道导流板水平段上部的流速由之前的6~7m/s提高到7~8m/s，50%工况下竖直烟道上部导流板改造后速度云图如图4所示。运行3个月后，检查入口烟道上部积灰明显削减。3.1.4SCR脱硝系统物理模型烟花示踪试验针对数值模拟得出的流场优化方案，根据1∶10的比例制作了物理模型并进行了物理模型试验[18]，烟花示踪照片如图5所示。物理模型试验结果为：系统流线分布匀称，充盈度良好，无明显回流区域，系统无明显的积灰区域；在机组100%、75%及40%额定工况条件下，第1层催化剂入口截面上的烟气流速相对标准偏差分别为5.4%、5.6%和5.5%，满意技术规范的要求。<imgalt=“6.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507091359.jpg”/3.2蜂窝催化剂更换成板式催化剂平板式催化剂在防止飞灰堵塞、抗磨损和抗中毒等方面具有很大的优势[19]，2014年6月某电厂将原蜂窝催化剂更换为板式催化剂，板式催化剂参数如表4所示。<imgalt=“7.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507095512.jpg”/3.3吹灰系统优化改造1台机组SCR脱硝系统增设16台声波吹灰器，每层每侧催化剂增加3台声波吹灰器，反应器入口增加4台声波吹灰器。对吹灰器运行方式进行优化，蒸汽吹灰器定期吹灰，3次/天，以深度清除催化剂表面积灰，削减催化剂堵灰的概率，同时吹灰蒸汽压力由0.8MPa降至0.5MPa；声波吹灰器吹灰间隔时长为60s，全天均按此方式运行，以维持催化剂表面较低的粉尘沉积。4效果及其评价2014年6月某电厂对脱硝流场进行了优化改造并将催化剂全部更换成板式，同时进行了吹灰系统优化改造。脱硝装置改造前后压降对比如表5所示。由表5可见，在300MW负荷下，催化剂阻力下降145Pa，氨逃逸体积分数下降3.43×10-6，运行的平安性和经济性得到了明显提高。<imgalt=“8.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/202003221507090168.jpg”/流场优化改造和更换板式催化剂运行3个月（运行平均负荷为额定负荷的75%左右）后，对脱硝装置进行内部检查，发觉反应器水平烟道、导流板积灰明显削减，整流层未见积灰，催化剂表面和孔隙无积灰、堵塞现象（见图6~8），从图6~8可以看出，积灰状况改善特别明显。<imgalt=“9.jpg”border=“0”src=“/UploadFiles/2019003/20203/Env/20