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燃煤電站SCR脫硝系統預防大顆?;叶氯椒?/h1>
2012-12-27 03:06:48汪洋胡永鋒
電力科技與環保 2012年2期
關鍵詞:煙氣優化

汪洋,胡永鋒

(中國華電工程(集團)有限公司,北京 100035)

燃煤電站SCR脫硝系統預防大顆?;叶氯椒?/p>

汪洋,胡永鋒

(中國華電工程(集團)有限公司,北京 100035)

大顆粒灰特別是爆米花灰的堵塞,是導致高塵布置的選擇性催化還原(SCR)系統失去脫硝作用的主要原因之一,同時大顆粒灰堵塞催化劑床層嚴重影響鍋爐主機的安全穩定運行。介紹了國外發達國家和地區的應對措施及先進技術,同時例舉了國內外成功的工程案例,為預防大顆?;叶氯峁┯幸娼梃b。

燃煤電站;選擇性催化還原;脫硝;大顆?;?堵塞

我國“十二五”期間將NOx排放濃度首次列入約束性指標體系,要求在2010年的基礎上減少10%,NOx排放已經成為我國“十二五”污染物減排的重點[1]。在深化節能減排背景下,脫硝事業蓬勃發展,據環境保護部預測,到2015年我國需要新增煙氣脫硝容量8.17億kW[2],為了實現新頒布《燃煤電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)的要求,現役7.07億kW火電機組中,約有90%的機組需要進行脫硝改造[3],即幾乎所有電站鍋爐需要加裝脫硝裝置,而我國執行的世界上最為嚴格的NOx排放標準也決定了絕大部分燃煤電站鍋爐需要采用SCR脫硝裝置。由于我國電站鍋爐的SCR脫硝裝置全部采用高塵布置,所以大顆?;叶氯麑⑹峭{機組安全穩定運行重要因素,如何應對大顆粒灰對脫硝系統帶來的危害,是擺在我們面前緊迫的課題。SCR法脫硝技術在發達國家和地區得到了長期廣泛的應用,并且積累了成熟的運行經驗及事故應對措施,充分借鑒發達國家和地區的經驗,結合國內實際情況,是應對大顆?;叶氯慕輳健?/p>

1 大顆?;以斐傻奈:?/h2>

大顆?;姨貏e是“爆米花灰”,是一種低密度灰,疏松多孔,密度多小于水,外形不規則,很容易達到10mm及以上的尺寸,多形成于鍋爐受熱面表面,較難通過煙道的擴展降低流速手段使其沉降。無論是蜂窩式催化劑還是平板式催化劑,大顆?;抑灰粺煔鈹y帶到催化劑表面均會導致催化劑的堵塞,削弱整套脫硝系統的脫硝能力,一旦部分通道被堵塞,灰的堵塞面積會快速增加,致使SCR系統失去效用。我國燃煤機組燃用煤種多變,部分鍋爐燃燒狀況惡化,容易產生爆米花灰,而且我國脫硝裝置幾乎全部為高塵布置的無旁路系統,一旦出現堵塞現象會直接導致主機組非計劃停機。為了防止大顆粒飛灰的堵塞,在脫硝系統設計中,發達國家和地區的一般做法是在催化劑上游應用計算流體動力學技術優化設計灰斗、設置濾網等預除塵設備,以去除煙氣中攜帶的大顆粒飛灰。

2 防止大顆粒灰危害的技術及措施

2.1 省煤器灰斗空氣動力學優化[4]

省煤器灰斗優化主要借助計算流體動力學技術進行,通過優化灰斗外形,組織流場依靠慣性將大顆?;乙粱叶罚瑢⒋蟛糠执箢w?;曳蛛x。圖1為常規灰斗設計,省煤器出口后墻與灰斗邊緣處于同一平面,這樣設計導致部分大顆?;译S煙氣進入水平煙道,通過擴大省煤器灰斗,將大顆?;乙粱叶穫缺趯ζ洳都悄壳皣饬餍械幕叶吩O計(見圖2),大顆?;遗c灰斗碰撞后基本被灰斗捕集。

圖1 常規省煤器灰斗設計

圖2 將灰斗加大后的速度矢量圖和大灰粒子軌跡

在不具備對省煤器出口及灰斗外形進行優化的條件下,在省煤器出口灰斗之上加裝導流擋板便成為一種行之有效的手段。國外在應對大顆?;叶氯芯糠矫孀隽溯^多工作。在SCR之前收集大顆?;业淖罴盐恢迷谑∶浩鞒隹?,主要原因是通過灰斗速度相對較低,同時煙氣向下流動然后流動方向轉動90°,灰顆粒在初始動力和重力的共同作用下,顆粒被慣性分離出來,沒有擋板的顆粒較多的進入水平煙道,前往催化劑床層,加裝擋板后,大部分顆粒被導流至灰斗壁面,與灰斗壁面碰撞后落入灰斗,從而實現對大顆?;业挠行占?。

2.2 加裝大灰濾網

2.2.1 濾網壽命[5]

濾網的侵蝕速度決定了其使用壽命,與灰的濃度以及煙氣流速等因素關系密切,侵蝕方程如下:

式中:E為濾網侵蝕速率;C為常數項;M為固體流率(灰負荷);V為煙氣速度;n指數項(n~2.5)。

依據濾網侵蝕速率曲線,以開孔率65.9%為基準壽命,過流速率100%和133%比較,在百分百負荷下,開孔率減到50%,侵蝕速度增加100%;如果過流速率增加到133%,在開孔率66%情況下侵蝕速率超過100%,開孔率50%條件下侵蝕速率將超過300%,因此應用大開孔率及小過流速率的濾網其壽命相對較長,是濾網選型主要考慮的方向。

通過試驗以及工程實踐總結的濾網材料對過流速度的耐受情況,未涂覆耐磨材料的304不銹鋼平板濾網適用流速范圍在15m/s以下,未涂覆耐磨材料的304不銹鋼屋脊濾網適用流速范圍20m/s以下,未涂覆耐磨材料的奧氏體不銹鋼屋脊濾網適用流速范圍20~25m/s,涂覆耐磨材料的304不銹鋼屋脊濾網適用流速范圍25m/s以上。

2.2.2 濾網形式

濾網的主要結構形式分平板式和屋脊式兩種。平板式濾網由具有一定開孔率的金屬網在一個平面上拼接而成,布置在省煤器灰斗位置。平板式濾網結構形式簡單,加工制作方便,適用于安裝及使用空間受限的情況。屋脊式濾網由多片平板濾網組成,搭接成一定角度組成系列板組。由于屋脊式濾網較平板式的過濾面積大幅增加,煙氣通過濾網法線的流速小于平板式截面的平均流速,所以增強了抗侵蝕能力,使用壽命會大為延長,同時屋脊式濾網的壓損也較低,400℃下過流速度15m/s時其壓損約50Pa,所以屋脊式濾網具有長壽命低壓損的優點。

應用計算流體技術對平板式和屋脊式濾網分別進行數值模擬研究,計算區域從省煤器出口至水平煙道,安裝位置位于省煤器灰斗出口。結果表明,平板式濾網速度場不盡如人意,速度和灰的濃度場分布均勻度差,部分區域速度接近30m/s,過高的過流速度和不均勻的灰負荷將使濾網的壽命迅速下降,而屋脊式速度和灰的濃度場分布均勻度表現出色,速度場分布較平板式優勢明顯,同時灰負荷較為均勻,對于延長濾網的使用壽命大有益處。

2.2.3 濾網防堵及防侵蝕措施

大部分濾網堵塞是由于大顆粒灰尺寸稍稍大于濾網開孔尺寸,而且灰的外形呈楔形形狀,不通過清理手段很難去除,一旦發生大面積堵塞,局部流速迅速升高,高速區的濾網首先被侵蝕損壞。防止濾網堵塞的手段從三個方面考慮,即采用低流速設計、加裝吹灰器或設置振打裝置。目前國外公司通過應用計算流體動力學手段優化灰斗流場,將流場優化與濾網相結合手段最大限度地去除LPA以及延長濾網壽命。將傳統電除塵器極板振打裝置用于濾網振打(如圖3),振打軸安裝一系列成角度的振打錘,可以實現連續振打功能。此外,采用拉索式振動除灰方式也是一種優良的技術方案,在濾網底部鏈接拉索,振打時將拉索拉緊,濾網抬起,到一定高度解除拉索拉力,依靠濾網與撞擊塊的振動作用來清除濾網的堵灰。目前,該技術已經在國外45臺機組上得到了應用[4],運行狀況良好。

圖3 濾網振打裝置示意

3 案例分析

美國自1994年第一臺SCR反應器投運以來,發生了為數眾多的大顆?;姨貏e是“爆米花”灰的堵塞事件,直接導致了催化劑床層堵塞損壞,壓降增加,甚至導致機組停機。近些年來通過加裝適宜的大灰濾網攔截捕集大顆?;页蔀槭钟行У氖侄巍?/p>

3.1 美國門羅電廠800MW機組案例

美國門羅電廠建設4×800MW級燃煤機組,自從2002年起安裝SCR裝置以來,應用了多種手段解決大顆?;疫M入催化劑床層的問題都未奏效,EVONIK能源服務公司在2008年初為其4號機組提供了大灰濾網,改造過程中應用了CFD技術進行了方案優化。該機組帶有省煤器旁路,當機組負荷降低、進入催化劑床層的煙氣溫度不能符合要求時,將通過省煤旁路將煙氣引入催化劑床層,采用數值模擬分析了省煤器旁路啟閉情況下的流場,應用優化的導流板組、靜態混合器以及屋脊式濾網等技術完成了對該機組的改造。

由于4號機組改造后出色的表現,參照4號機組的改造方案3號機組和1號機組分別于2008年秋季及2009年初進行了改造。應用計算流體動力學手段優化以及優秀的大灰濾網方案可以完全避免大顆?;覍CR反應器的損壞。

3.2 國內某30萬機組濾網案例

國內某廠2×350MW機組與主機同時配備SCR脫硝裝置,由于鍋爐廠沒有對省煤器灰斗進行任何優化工作,所以工程公司在省煤器灰斗出口和反應器上升煙道結合處設置大灰濾網,濾網下方設置灰斗,匯集攔截下來的大顆?;?,由于濾網傾斜設置,大灰濾網開孔率56%,開孔節距5mm,濾網面積28.1m2,平均速度僅11.24m/s,其較低的設計速度保障了濾網的安全穩定運行,且低流速條件下壓降僅為50Pa左右。

該脫硝裝置流場參數要求高,導流板組復雜,濾網安裝空間狹小,加裝平板式濾網成為唯一的選擇。對于灰斗沒有采取任何措施的情況下,灰斗出口水平煙道和反應器上升煙道彎頭處安裝LPA Screen是推薦的解決方案。

4 結語

基于計算流體動力學手段的灰斗優化與大灰濾網的應用具有良好的大灰攔截能力,確保了SCR脫硝系統的安全穩定運行,對于鍋爐制造商應將省煤器灰斗優化與SCR反應器綜合考慮,對于省煤器灰斗沒有采取任何措施情況下,工程公司應考慮在省煤器灰斗出口水平煙道與反應器上升煙道彎頭處設置濾網及灰斗,以確保反應器的安全穩定運行。國外多年的SCR脫硝裝置運行經驗告訴我們,應用灰斗優化及大灰濾網結合手段對攔截大顆?;曳乐勾呋瘎┒氯鞘钟行У氖侄巍?/p>

[1]中央政府網數據庫.中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要[EB/OL].http://www.gov.cn/2011lh/content _1825838.htm,2011-03-16.

[2]穆運周.對《火電廠大氣污染排放標準(二次征求意見稿)》的點評:脫硫脫銷環保行業機遇中的發展[EB/OL].http://vip.stock.finance.sina.com.cn/q/go.php/vReport_Show/kind/search/ rptid/933467/index.phtml,2011-04-19.

[3]GB 13223-2011,火電廠大氣污染物排放標準[S].

[4]Anthony Ryan,Bryce St John.SCR System Design Considerations for Popcorn Ash[M].The Babcock&Wilcox Company,2003.

[5]Gretta W J.A Proven,Successful Approach to the Design of SCR Large Particel Popcorn Ash Screens[C].Foster Wheeler North A-merica Corp,2005.

Methods to mitigate effects of large particle ash on Selective Catalytic Reduction systems of coal-fired power plant

There were a number of events in the industry in which catalyst layers of SCR systems have become severely plugged with LPA also sometimes referred to as popcorn ash.Such pluggage results in increased pressure drop across the SCR reactor,decreased catalyst performance,severe erosion damage of catalyst,large particle ash even forced the boiler off line.Some case of home and abroad were analyzed.The technology coping with LPA were introduced,which offered useful reference for De-NOxdevelopment.

coal-fired power plant;SCR;denitrification;large partical ash;plugging

X701.7

B

1674-8069(2012)017-03

2011-11-19;

2012-03-17

汪洋(1980-),男,河北保定人,工程師,主要從事電力環保技術的研發及數值模擬研究工作。E-mail:wangyang@chec.com.cn

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