王為，王樂(lè)樂(lè)，孔凡海，陳牧，姚燕，雷嗣遠(yuǎn)

WANG Wei1，WANG Lele2*，KONG Fanhai2，CHEN Mu1，YAO Yan2，LEI Siyuan2

（1.中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071；2.西安熱工研究院有限公司蘇州分公司，江蘇蘇州215153）

（1.Central Southern China Electric Power Design Institute Company Limited，Wuhan 430071，China；2.Suzhou Branch，Xi′an Thermal Power Research Institute Company Limited，Suzhou 215153，China）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外火電廠選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)主要有高溫高塵布置、高溫低塵布置和低溫低塵布置3 種類型，考慮初始投資和運(yùn)行中的能耗問(wèn)題，高溫高塵工藝的應(yīng)用最廣［1］。隨著火電廠煙氣高溫除塵技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)材料制造工藝水平的發(fā)展，從提高除塵效率、保護(hù)SCR 脫硝催化劑等角度出發(fā)，采用高溫低塵布置的高溫除塵脫硝一體化裝置再次受到廣泛關(guān)注［2-4］。研究高溫低塵布置對(duì)SCR 催化劑的設(shè)計(jì)選型、設(shè)備運(yùn)行可靠性及壽命等方面的影響，對(duì)高溫除塵脫硝一體化技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有重要意義［5-7］。

本文以某350 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組的高溫除塵脫硝一體化示范項(xiàng)目為研究對(duì)象，分析采用常規(guī)高溫高塵布置和高溫低塵的一體化布置時(shí)SCR 脫硝裝置的煙氣成分（含煙塵質(zhì)量濃度）、流場(chǎng)分布等煙氣參數(shù)對(duì)SCR 脫硝催化劑選型、技術(shù)性能、使用壽命、運(yùn)行可靠性的影響［8］，獲得普適性的規(guī)律，為同類機(jī)組的SCR 脫硝催化劑選型設(shè)計(jì)及建造運(yùn)行提供依據(jù)。

1 高溫除塵脫硝一體化裝置

1.1 火電廠設(shè)備基本參數(shù)

火電廠常規(guī)環(huán)保設(shè)備采用中∕高溫高塵布置的SCR 脫硝裝置并將其布置在除塵器上游。與之相比，煙氣高溫除塵脫硝一體化裝置將除塵設(shè)備前置于空氣預(yù)熱器（以下簡(jiǎn)稱空預(yù)器）上游，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙塵和NOx污染物的超低排放，該裝置的工藝系統(tǒng)流程為：鍋爐→高溫除塵脫硝一體化裝置（包括電袋除塵器和SCR 煙氣脫硝裝置）→空預(yù)器→高效石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置→煙囪。本研究中的350 MW 機(jī)組鍋爐采用前后墻對(duì)沖燃燒方式，燃煤特性見(jiàn)表1。在脫硝系統(tǒng)采用常規(guī)高溫高塵布置工藝時(shí)，其在額定工況下的設(shè)計(jì)脫硝裝置入口煙氣參數(shù)見(jiàn)表2。

原煙氣NOx質(zhì)量濃度為300.0 mg∕m3，脫硝效率不低于85.0%，可達(dá)到《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》中的NOx超低排放要求（＜50 mg∕m3）。采用除塵脫硝一體化工藝時(shí)，SCR脫硝布置在超凈電袋除塵器下游，設(shè)計(jì)脫硝入口煙氣的含塵量（質(zhì)量濃度，下同）僅為10.0 mg∕m3，其他煙氣參數(shù)與采用常規(guī)高溫高塵布置工藝時(shí)相同。

表1 鍋爐煤質(zhì)特性Tab. 1 Coal analysis for the boiler

由于采用一體化工藝的除塵器布置在300～400 ℃的高溫?zé)煔鈪^(qū)域，濾袋采用合金纖維濾料，具有耐高溫、耐氣體腐蝕、過(guò)濾性能優(yōu)良、高強(qiáng)度、高韌性、易清灰、機(jī)械性能好等特點(diǎn)。該高溫超凈電袋除塵器采用橫向雙列雙室、縱向2 電區(qū)3 袋區(qū)的布置方案，占地尺寸（長(zhǎng)×寬）為32.05 m×41.60 m。與常規(guī)電袋除塵器相比，雖然一體化設(shè)備占地稍大，但運(yùn)行阻力基本相當(dāng)，且濾袋整體使用壽命大大延長(zhǎng)。

表2 350 MW機(jī)組高溫高塵布置的脫硝裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of the high-temperature highdust denitration device for the 350 MW unit

1.2 一體化裝置的布置方案

為掌握一體化布置工藝下高溫除塵器與SCR脫硝裝置的最佳組合布置結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真模擬［7，9］，重點(diǎn)考察了不同布置結(jié)構(gòu)對(duì)脫硝催化劑入口煙氣流場(chǎng)的影響，通過(guò)對(duì)比3 種組合布置方案（方案A：催化劑直接布置在電袋除塵器上方，氣流流動(dòng)為“下進(jìn)上出”；方案B：催化劑布置在電袋除塵器下游水平煙道內(nèi)，氣流流動(dòng)為“側(cè)進(jìn)側(cè)出”；方案C：催化劑布置在電袋除塵器下游轉(zhuǎn)彎后的豎直煙道內(nèi)，氣流流動(dòng)為“上進(jìn)下出”）。綜合考慮催化劑入口煙氣流場(chǎng)整體最佳和裝置所占空間，優(yōu)選圖1 中的布置方式（方案A）：即SCR 噴氨格柵布置在高溫除塵器入口煙道上；設(shè)置一個(gè)脫硝反應(yīng)器并直接布置在電袋除塵器的袋區(qū)出口上方，不增加占地，氣流流動(dòng)方向?yàn)椤跋逻M(jìn)上出”時(shí)煙氣流場(chǎng)效果最好，此時(shí)各部分流場(chǎng)指標(biāo)見(jiàn)表3。

通常，高溫高塵型布置的SCR 脫硝裝置反應(yīng)器內(nèi)第1 層催化劑入口煙氣參數(shù)的均勻性指標(biāo)如下：速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（Cv）≤10%；溫度最大偏差≤10 ℃；煙氣入射催化劑最大偏角（與垂直方向的夾角）≤10°；NH3∕NOx分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤5%［10-12］。根據(jù)流場(chǎng)模擬結(jié)果，在本研究中，經(jīng)過(guò)高溫電袋除塵器均流孔板及除塵器內(nèi)部布袋導(dǎo)流、均流后，進(jìn)入第1 層催化劑上游煙氣速度的Cv為5.5%，NH3∕NOx分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.8%，入射角偏差＜6°。這說(shuō)明采用該一體化布置方案后的流場(chǎng)較為均勻，達(dá)到了同類型高溫高塵布置工藝的流場(chǎng)指標(biāo)。

表3 最優(yōu)布置方案的整體模型模擬結(jié)果Tab. 3 Simulation results of the model with the optimal layout

圖1 最佳除塵脫硝一體化布置方案Fig.1 Optimal layout of the dedusting and denitration integrated device

2 催化劑選型分析

與常規(guī)高溫高塵SCR 煙氣脫硝工藝相比，高溫除塵脫硝一體化脫硝工藝采用緊湊式布置，對(duì)節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)安裝空間、改善脫硝入口煙氣流場(chǎng)、降低脫硝設(shè)備初始投資有一定作用。另外，一體化布置的SCR 脫硝系統(tǒng)入口煙氣煙塵質(zhì)量濃度極低，這將影響催化劑的設(shè)計(jì)選型、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性、壽命和氨逃逸率，以下將從這5 個(gè)方面對(duì)該布置方式進(jìn)行分析論證。

2.1 催化劑的選型設(shè)計(jì)

2.1.1影響催化劑選型的因素

當(dāng)前，燃煤電廠廣泛應(yīng)用的SCR 脫硝催化劑主要有蜂窩式、平板式和波紋板式3 種類型。針對(duì)燃煤電廠SCR 催化劑設(shè)計(jì)，首先要了解影響催化劑選型的因素。通常，影響催化劑設(shè)計(jì)選型和設(shè)計(jì)余量的主要因素有SCR 脫硝裝置入口煙氣參數(shù)、鍋爐煤質(zhì)、飛灰化學(xué)成分以及煙氣流場(chǎng)等［13-14］。針對(duì)本研究中的高溫除塵脫硝一體化布置方案，入口煙氣中煙塵質(zhì)量濃度不高于10 mg∕m3，宜優(yōu)先選擇小孔徑蜂窩式催化劑或波紋板式催化劑，綜合考慮體積因素，本方案選擇蜂窩式催化劑，并從選型設(shè)計(jì)、壽命分析、經(jīng)濟(jì)性分析等方面進(jìn)行研究。

與常規(guī)高溫高塵型脫硝布置工藝相比，高溫低塵SCR 脫硝工藝的主要特點(diǎn)在于脫硝裝置入口煙氣灰含量低，催化劑在“清潔環(huán)境”條件下具有更好的流場(chǎng)適應(yīng)性和抗磨損、防堵灰的能力，催化劑堵塞的設(shè)計(jì)裕量可大大降低；同時(shí)飛灰含量降低后，催化劑燃料特性設(shè)計(jì)裕量也可相應(yīng)減小。在2種布置工藝下，催化劑相對(duì)體積量變化如圖2 所示。根據(jù)測(cè)算，達(dá)到同等脫硝性能時(shí)高溫低塵布置的催化劑設(shè)計(jì)裕量較高溫高塵布置時(shí)的減少約20%。

圖2 2種布置工藝下的催化劑設(shè)計(jì)相對(duì)體積示意Fig.2 Relative volume factors of catalyst within two layouts

2.1.2 催化劑選型設(shè)計(jì)方案

蜂窩式催化劑的孔數(shù)設(shè)計(jì)主要取決于其應(yīng)用條件下的煙氣含塵量，根據(jù)催化劑的應(yīng)用領(lǐng)域可選擇相應(yīng)的孔數(shù)（x 孔指孔數(shù)為x×x）：（1）燃煤機(jī)組根據(jù)煙氣含塵量不同，催化劑通常選擇15～25 孔；（2）垃圾電廠及非電領(lǐng)域等低塵環(huán)境通常選擇30～45孔；（3）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和燃?xì)忮仩t基本處在無(wú)灰的環(huán)境，多選擇50～75 孔型催化劑。本文高溫除塵脫硝一體化工藝的SCR 催化劑可參照第2類設(shè)計(jì)選型［15］，采用35 孔蜂窩式催化劑；采用常規(guī)高溫高塵工藝時(shí)，蜂窩式催化劑的孔數(shù)按照20考慮。

按照高溫除塵脫硝一體化布置和常規(guī)高溫高塵布置分別進(jìn)行催化劑設(shè)計(jì)，2 種方案的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

根據(jù)該項(xiàng)目的煙氣參數(shù)（脫硝裝置入口NOx質(zhì)量濃度為300 mg∕m3，脫硝效率不低于85%，氨逃逸率不超過(guò)3×10-6，SO2∕SO3轉(zhuǎn)化率不高于1.0%）設(shè)計(jì)催化劑。由于高溫除塵脫硝一體化布置工藝催化劑用量較小，單層催化劑單元體高度僅417 mm，可將2 層催化劑合并為1 層，即反應(yīng)器催化劑按照“1+1”布置模式，單元體高度為834 mm。與常規(guī)高溫高塵工藝下催化劑的“2+1”布置模式相比，可減小脫硝反應(yīng)器設(shè)計(jì)高度，從而降低SCR脫硝工程造價(jià)。

表4 催化劑設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)Tab.4 The technical parameters of catalyst design

圖3 脫硝催化劑磨損與堵灰狀況Fig.3 Pictures of the worn and ash blocked denitration catalyst

2.3 運(yùn)行可靠性評(píng)估

采用高溫高塵布置的SCR 脫硝系統(tǒng)在日常運(yùn)行中常見(jiàn)的催化劑事故有催化劑磨損、堵灰、低溫中毒、堿金屬∕堿土金屬中毒、砷中毒等［13］。而采用高溫除塵脫硝一體化工藝后，進(jìn)入脫硝催化劑的煙氣含塵量大大降低，可有效降低催化劑磨損、堵灰風(fēng)險(xiǎn)，并在一定程度上減緩催化劑的化學(xué)中毒速度。

2.3.1 降低催化劑磨損堵灰風(fēng)險(xiǎn)

常規(guī)高溫高塵型SCR 脫硝設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，由于煙氣中飛灰含量高、催化劑本身強(qiáng)度差、脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速分布不均及蒸汽吹灰器運(yùn)行參數(shù)不合理等，造成催化劑磨損、穿孔、甚至坍塌。催化劑磨損會(huì)使催化劑的物理結(jié)構(gòu)遭到破壞，如圖3a所示；催化劑表面積灰和孔道堵塞是最常見(jiàn)的物理失活現(xiàn)象，如圖3b所示。催化劑堵灰后減少了催化劑的有效反應(yīng)面積，被堵塞區(qū)域的脫硝潛能無(wú)法有效發(fā)揮，使催化劑的整體性能下降，無(wú)法滿足使用要求。

本文的研究對(duì)象采用高溫除塵脫硝一體化布置，將進(jìn)入SCR 脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣中含塵量降低到10 mg∕m3以內(nèi)，可有效降低對(duì)催化劑的沖刷磨損和堵灰風(fēng)險(xiǎn)，避免催化劑出現(xiàn)嚴(yán)重磨損和堵灰現(xiàn)象。同時(shí)，由于正常聲波吹灰即可滿足催化劑清灰要求，脫硝系統(tǒng)無(wú)需加裝蒸汽吹灰器，可避免因蒸汽吹灰操作不當(dāng)造成催化劑吹損的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高脫硝設(shè)備運(yùn)行可靠性。

2.3.2 提高催化劑對(duì)流場(chǎng)不均的適應(yīng)性

常規(guī)高溫高塵型SCR 布置方式，需要考慮催化劑的磨損、堵灰問(wèn)題：流速低雖有利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，但易造成催化劑孔內(nèi)堵灰；而流速過(guò)高則會(huì)加劇煙氣中飛灰顆粒對(duì)催化劑的沖刷磨損。因此，催化劑孔內(nèi)流速設(shè)計(jì)通常為5～7 m∕s。采用高溫除塵脫硝一體化布置，脫硝入口煙氣中含塵量極低，在實(shí)際運(yùn)行中當(dāng)反應(yīng)器截面上局部煙氣流速偏高或煙氣入射角偏差較大時(shí)，對(duì)催化劑的沖刷磨蝕速度亦會(huì)明顯低于同等條件下高溫高塵布置的催化劑，從而降低運(yùn)行事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 催化劑壽命分析

本項(xiàng)目脫硝系統(tǒng)采用高溫低塵布置，進(jìn)入SCR反應(yīng)器的煙氣較為清潔，催化劑運(yùn)行中因磨損、孔道堵灰造成失活概率較小，但灰分中K，Na，Ca 及煙氣中的As，P 等有毒成分仍可能造成催化劑化學(xué)中毒［16-18］?？紤]到飛灰含量極低，日常運(yùn)行中細(xì)微飛灰造成的催化劑微觀孔道堵塞和催化劑活性位遮蔽的速度會(huì)降低，催化劑失活速率會(huì)低于同等條件下高塵布置方式。根據(jù)相關(guān)研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，典型催化劑性能隨運(yùn)行時(shí)間劣化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同布置工藝下催化劑性能劣化曲線Fig.4 Degradation curves of the catalyst under different layouts

在不發(fā)生催化劑質(zhì)量問(wèn)題或其他異常運(yùn)行事故時(shí)，高塵布置下的催化劑活性年劣化速率通常在6%～10%［19］；項(xiàng)目檢測(cè)結(jié)果表明，低塵布置下的催化劑活性年劣化速率通常在3%～6%。在催化劑質(zhì)量較好，且留有一定體積余量的情況下，對(duì)照常規(guī)高溫高塵SCR 布置方式下催化劑設(shè)計(jì)化學(xué)壽命24 000 h（約3年），該項(xiàng)目催化劑在對(duì)應(yīng)低塵環(huán)境條件下的化學(xué)使用壽命預(yù)計(jì)為5～6 年。

2.5 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

本文研究對(duì)象采用高溫除塵脫硝一體化布置，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，催化劑在低塵條件下運(yùn)行，在達(dá)到同等脫硝效果所需催化劑體積量少于常規(guī)高溫布置方式。另外噴氨格柵布置于除塵器入口煙道，通過(guò)袋式除塵器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)化氨氮混合效果［20］，降低脫硝設(shè)備初投資。同時(shí)因入口煙道短且內(nèi)部布置的導(dǎo)流∕整流裝置少，系統(tǒng)阻力低，對(duì)應(yīng)引風(fēng)機(jī)電耗小。

以常規(guī)2×350 MW 工程脫硝系統(tǒng)的初投資為參考，一體化布置方式較常規(guī)高溫高塵SCR 布置工藝有一定優(yōu)勢(shì)，2 種SCR 布置方式下的全年運(yùn)行成本分析見(jiàn)表5。高溫除塵脫硝一體化布置的SCR 脫硝裝置與常規(guī)高溫高塵布置工藝相比每年可節(jié)省運(yùn)行成本約200 萬(wàn)元。

表5 2種布置工藝的運(yùn)行成本分析Tab. 5 The operation cost analysis of two layout processes

2.6 氨逃逸情況分析

煙氣SCR 脫硝裝置的出口氨逃逸率的設(shè)計(jì)通?？刂圃?×10-6以下，未反應(yīng)的氨氣主要與煙氣中的SO3及飛灰在低溫下發(fā)生固化反應(yīng)，根據(jù)德國(guó)電廠的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)［21］：約20%的氨以硫酸鹽形式黏附在空預(yù)器表面，約80%的氨進(jìn)入電除塵器黏附在飛灰上，少于2%的氨進(jìn)入濕法脫硫溶液，少于1%的氨以氣態(tài)形式隨煙氣排放。當(dāng)灰中氨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)80×10-6時(shí)，會(huì)散發(fā)出氨的氣味而影響銷售。本文除塵器布置在SCR 脫硝催化劑上游，除塵器所處溫度窗口溫度基本上在300 ℃以上，該溫度下飛灰基本不吸附氨［22］，因此進(jìn)入除塵器灰斗及最終進(jìn)入灰?guī)斓姆勖夯一静缓睔?，可避免因灰中氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高而影響粉煤灰的銷售與綜合利用。

同時(shí)，本研究對(duì)象的高溫電袋除塵器布置在SCR 脫硝裝置上游，還可降低硫酸氫銨帶來(lái)的布袋除塵器“糊袋”和電除塵器極板極線“裹灰”風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

（1）高溫除塵脫硝一體化布置工藝的SCR 催化劑在相對(duì)“清潔環(huán)境”下運(yùn)行，可采用35孔的小孔徑蜂窩催化劑，有助于降低催化劑的體積用量和SCR裝置的布置空間。

（2）該布置方式可大幅降低催化劑的堵灰和磨損風(fēng)險(xiǎn)，提高脫硝設(shè)備運(yùn)行可靠性。與常規(guī)高溫高塵SCR 布置工藝下催化劑化學(xué)壽命（3 年）相比，在排除催化劑質(zhì)量問(wèn)題和異常失活運(yùn)行事故情形后，該布置方式下的催化劑使用壽命可延長(zhǎng)約1倍。

（3）高溫除塵脫硝一體化布置可明顯降低SCR脫硝設(shè)備的初投資和運(yùn)行成本。并可在一定程度上降低因SCR 運(yùn)行不佳帶來(lái)的灰中帶氨的問(wèn)題，提高機(jī)組整體運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。