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、支撑钢梁积灰严重，造成了流场不均匀和催化剂堵塞，影响了SCR脱硝系统的性能。根据运行经验和CFD技术，分析得出SCR脱硝装置积灰的原因是设计不合理、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。通过采用烟气流场优化及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、导流板积灰明显减少，整流层未见积灰，催化剂表面和孔隙无积灰、堵塞现象，证明所采取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用SCR 技术。某电厂2×300 MW 机组采用东方 锅炉厂生产的W 型火焰锅炉，所配套的SCR脱硝装置（简称SCR）采用高灰段布置[3]。由于长期处于高尘烟气下， 该厂SCR 反应器发生了严重积灰。本文通过对高尘烟气条件下SCR 反应器不同部位积灰原因分析， 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，甚至出现穿孔或垮塌，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情况，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 积灰原因分析
（1）实际燃煤灰分严重超出设计值。某电厂燃用当地劣质无烟煤， 原设计煤种灰分Aa r 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40.4 g/m3；实际燃煤灰分Aar 为40.53%~45.81%，烟尘质量浓度为56~70 g/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一定的必然性[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30 g/m3 时宜优先选用蜂窝式催化剂，当烟尘质量浓度＞40 g/m3 时宜优先选用平板式催化剂。某电厂烟尘质量浓度已达56~70 g/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用蜂窝式催化剂。
（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， 根据设计煤质计算，反应器空塔流速为4.1 m/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，高粘度灰易出现板结，无法依靠系统运作将积灰带走。
（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动空间较大，导流板支架的加强板后方易形成涡流，造成导流板上容易发生灰沉降，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100 mm，空间较小，容易产生积灰。
（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重， 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8 h 投运1 次，蒸汽吹灰器不能完全覆盖催化剂，存在吹灰死角，部分催化剂表面的灰不能及时得到清除。
3 改进措施
3.1 SCR 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均匀，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发展产生不同的影响。本文通过第1 层催化剂层前500 mm 处的8 排8 列共64 个测点来判定SCR脱硝系统的烟气流场发展情况。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， 回流区发展到第1 层催化剂层前仍然得不到消除，导致烟气流线与第1 层催化剂层垂直方向的夹角大于10°。
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（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，严重影响了气流分布的均匀性，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%，温度最大绝对偏差不高于2℃，满足技术规范的要求。
3.1.2 SCR 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 反应器烟气速度的均匀性，并影响到烟气温度场及飞灰的分布[13-17]。根据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，采用薄板型式， 增加导流板的数量， 改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345 mm 增加到600 mm，同时将导流板水平段尾板长度由465 mm 缩短至300 mm；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。
（2）整流格栅改造。整流格栅孔径由100 mm×100 mm 更换成100 mm×300 mm，增大了整流格栅通流能力，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。
（4）加装防积灰板。反应器内工字钢均采用铁板包覆两边，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均匀，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%，温度最大绝对偏差不高于2 ℃。
（4）2 号锅炉SCR 流场优化改造后，入口烟道上部仍然存在积灰，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6~7 m/s 提高到7~8 m/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减少。
3.1.4 SCR 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， 按照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：系统流线分布均匀，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%，满足技术规范的要求。
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。
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， 减少催化剂堵灰的概率，同时吹灰蒸汽压力由0.8 MPa 降至0.5 MPa；声波吹灰器吹灰间隔时长为60 s，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300 MW 负荷下，催化剂阻力下降145 Pa，氨逃逸体积分数下降3.43×10-6，运行的安全性和经济性得到了明显提高。
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，发现反应器水平烟道、导流板积灰明显减少，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，积灰情况改善非常明显。
5 结语
研究结果表明：（1）采用CFD 技术得到的SCR 流场优化方案切实可行， 按优化方案调整后，机组在额定工况条件下，SCR 反应器烟气流速、氨浓度、温度偏差均满足规范要求。（2）燃用高灰分无烟煤， 在烟气含尘质量浓度为56~70 g/m3 时，通过采用板式催化剂、声波吹灰器与蒸汽吹灰器组合的运行方式，可以明显减轻SCR 反应器内部积灰和催化剂堵塞现象。（3）在烟尘浓度比设计值增加较多时， 为减少进入SCR 反应器内的烟尘浓度，建议在SCR 入口竖直烟道底部增设灰斗及输灰系统。
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