飛灰對SCR脫硝系統的影響

文小于，陶莉，周艷明

(1.湖南省湘電試研技術有限公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

飛灰對SCR脫硝系統的影響

Influence of fly ash on selective catalytic reduction denitration system

文小于1，陶莉2，周艷明2

(1.湖南省湘電試研技術有限公司，湖南長沙410007；2.國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

以2個電廠的SCR脫硝系統為典型研究對象，分別統計和分析2個電廠煙氣中煙塵含量、SCR系統運行情況以及催化劑活性的變化情況。根據催化劑催化原理，結合SCR系統特點及實際運行情況，制訂SCR脫硝催化劑高灰條件下的應對措施。

飛灰；電廠；SCR系統；表面沉積物；催化劑活性

隨著GB13223—2011《大氣污染物排放標準》的實施，各燃煤火力發電機組紛紛增設煙氣脫硝系統以降低氮氧化物的排放。目前使用最廣泛的是選擇性催化還原脫硝 (SCR)技術〔1〕，該技術中催化劑是其重要組成部分〔2〕。在實際運行中，由于煤質與設計值常出現偏差，尤其是飛灰含量經常超過設計值，導致出現飛灰堵塞催化劑的現象，飛灰中攜帶的堿金屬 (如K2O和Na2O等)還會引起催化劑中毒〔3-5〕，另外飛灰的高速沖刷會導致催化劑出現機械損壞，使SCR脫硝系統阻力增加，催化劑活性下降〔2，6〕。這不僅影響系統的脫硝效率和NOx的達標排放，而且會造成還原劑NH3夾帶量的增加，對下游設備造成腐蝕，引起設備安全性問題〔5〕。

湖南省境內現有300MW以上發電機組33臺，與SCR脫硝系統同步建設的機組共有7臺，其它為改建機組。文中選取煙氣飛灰含量較高的A，B 2個電廠配套的SCR系統為研究對象，通過統計分析2個電廠的設計參數和運行情況以及電廠的煤質、飛灰成分，考察煙氣中的飛灰對SCR系統的影響，并據此提出SCR脫硝系統應對高飛灰條件的具體措施。

1 SCR系統設計參數和運行狀況

1.1 SCR系統設計參數

A電廠1，2號機組 (2×300 MW)和B電廠1，2號機組 (2×600 MW)的SCR系統設計模式類似，催化劑為蜂窩整體式，催化劑布置采用 “2＋1”模式。SCR催化劑設計參數見表1。

1.2 SCR系統運行情況及吹灰裝置

A電廠1，2號機組配套SCR反應器間歇運行21 000 h左右；B電廠1，2號機組配套SCR催化劑處于高溫高塵環境已有38 000 h，基本未噴氨投運。A電廠和B電廠為湖南省首批與主機同時設計、安裝的SCR脫硝系統，SCR反應器只安裝了耙式吹灰器。

2 飛灰含量對SCR系統的影響

2.1 電廠煤質分析

2.1.1 A電廠1號機組煤質統計

據統計2011年及2012年A電廠1號機組燃用煤質，其中2011年統計數據589組，其收到基低位發熱量范圍為11.35～18.06MJ/kg；2012年統計數據432組，其收到基低位發熱量范圍為12.25～18.32MJ/kg。

圖1為2011年和2012年A電廠1號機組燃用煤質產生的煙塵含量。由圖 1可知，2011年和2012年燃用煤質中灰分含量較高，至少有將近一半的時間燃用的煤質灰分含量超過了SCR催化劑設計參考值 (50 g/Nm3)。

A電廠2011年煤質統計數據295 d，灰分在34.69%～53.85%之間，平均44.49%。煙塵量在36～73 g/Nm3之間，其中大于50 g/Nm3的約268 d。

2012年煤質統計數據246 d，灰分在37.66%～50.09%之間，平均 43.23%。煙塵量在 39～70 g/Nm3之間，其中大于50 g/Nm3的約239 d。

由此可見，2011—2012年，A電廠的SCR脫硝系統在絕大多數的時間內均是在灰分含量超過設計標準的情況下運行的。

2.1.2 B電廠2號機組煤質統計

2012年B電廠2號機組燃用煤質共統計數據1 125組，其收到基低位發熱量范圍為 12.475～25.796MJ/kg。

由圖2可知，2012年B電廠2號機組燃用的煤質波動很大，該年度煤質統計數據1 125組，灰分在5.63%～50.54%之間，煙塵量在6～65 g/Nm3之間，其中大于50 g/Nm3的約占7.1%。

相對于A電廠，B電廠煤質中灰分含量較低。由于B電廠機組安裝有低氮燃燒器，其SCR系統入口NOx濃度較低，一般低于400 g/Nm3。

2.2 電廠機組飛灰組分分析

2.2.1 A電廠1號機組飛灰組分分析

2011年10月及2012年10月在主機停運時，進入1號機組SCR系統B反應器進行了脫硝催化劑表面灰樣取樣，并對其表面進行檢查。表2為催化劑表面積灰的成分分析數據。

由表2可知，A電廠催化劑表面積灰的主要成份為SiO2和Al2O3，同時積灰中還含有堿性的K2O和Na2O，以及酸性的P2O5及重金屬PbO等。由于SCR催化劑屬于一種固體酸催化劑，其骨架結構中摻雜的V2O5以及少量的WO3，使得催化劑表面攜帶有酸性的B酸位而成為NOx和NH3的反應活性位點，而積灰中的堿性元素覆蓋在催化劑的表面，常常會中和催化劑的活性酸性位點〔7〕，同時飛灰中的重金屬會與催化劑骨架中V形成配位物而將消耗骨架中的V，使骨架中的V流失而降低催化劑的反應活性〔8，9〕。因此，減少催化劑表面的積灰是維持或延長催化劑活性的有效手段之一。

2.2.2 B電廠2號機組飛灰組分分析

2011年B電廠2號機組停運時，進入反應器中對催化劑表面積灰取樣，并對其成分進行分析檢測。具體數據見表3。

B電廠SCR催化劑表面積灰的成分有所不同，其堿金屬含量較A電廠的小，而CaO的含量比A電廠的高出將近1倍，Ca2＋與催化劑中分散的釩類物質相互作用較小，并且對催化劑表面的酸性點位影響很小〔10〕，從煙塵中成分可推測，B電廠煙塵對催化劑的影響主要表現為物理堵塞等。

3 SCR系統催化劑活性檢測

3.1 SCR系統催化劑活性檢測方法

催化劑活性測試在自制的實驗室模擬裝置上進行，裝置包括以下4個系統:模擬氣體配制系統、氣體加熱系統、固定床反應系統及在線分析系統。模擬煙氣的實際成分:NO為1 000mg/m3，SO2為3 000mg/m3，O2含量為4%、VNH3/VNO＝1.0，模擬煙氣的空間速度SV＝4 000 h－1。

3.2 A電廠SCR系統催化劑活性檢測

3.2.1 SCR系統催化劑單體堵塞率

對A電廠催化劑調查發現，在運催化劑單體有部分孔道受堵，其中前端受堵孔道數量較后端多，約占總孔道數的46.7%，后端約占總孔道的15.6%，堵塞孔道的主要為干燥的極細的煙塵，和新鮮催化劑相比，在運催化劑由于其孔道受堵，導致其脫硝效率有所降低。

3.2.2 催化劑活性測試

表4為催化劑的NH3－TPD測試數據。SCR催化劑在140℃左右出現一個弱酸中心，表4數據顯示，隨著運行時間的延長，表面總酸量呈下降趨勢，在運催化劑表面總酸量較新鮮催化劑下降了35.3%。由于酸量大小與摻雜金屬的量密切相關，因此，可以推斷，相比于新鮮催化劑，在運催化劑中摻雜元素V、W的含量有所下降。同時，由于催化劑表面積灰嚴重，且灰中含有堿金屬物質，可能對催化劑的酸性活性位點產生中和作用，導致催化劑酸量下降〔9，11〕。

3.3 B電廠SCR系統催化劑活性檢測

3.3.1 SCR系統催化劑單體堵塞率

催化劑單體有部分孔道受堵，其中前端受堵孔道數量較后端多，約占總孔道數的48.5%，后端約占總孔道的30.6%，經檢查，堵塞孔道的主要為干燥的極細的煙塵。

3.3.2 催化劑活性測試

2012年5月，待B電廠2號機組主機停運時，進入其SCR系統A反應器，取出催化劑模塊，采用實驗室煙氣脫硝模擬裝置，對催化劑的脫硝活性等進行了分析測試。

經過測試可知，B電廠在運催化劑的脫硝效率為94.12%，相對于新鮮催化劑而言，脫硝效率由新鮮的97.34%下降到94.12%，高于A電廠的催化劑脫硝活性。SCR催化劑吡啶吸附紅外譜圖如圖3所示，催化劑中所含有的B酸、L酸的峰面積結果如表5所示。

由表5可知，與新鮮催化劑相比，雖然B電廠催化劑基本沒有處于投運狀態，但由于長期受煙氣沖刷，其表面酸性液發生變化，其中B酸，L酸分別下降了43.24%，22.32%。

煙氣中的水溶性離子隨飛灰堆積在催化劑的表面，會對催化劑產生毒害作用〔12〕。催化劑表面水溶性陽離子的分析結果如表6所示。

從表6可以看出K＋，Na＋，Ca2＋，N運行前后的含量有明顯的差別，其中K＋是新鮮催化劑的50倍，Na＋是新鮮催化劑的10倍，由此可見，煙塵中攜帶的堿金屬等元素能沉積在催化劑的表面，特別是K＋的積累量較大，堿金屬在催化劑表面的積累對催化劑的酸性活性位點產生毒害，中和了催化劑中的酸性位點，在表5數據中可以得到驗證。

3.4 SCR脫硝系統高灰條件下的應對措施

1)由于湖南省煤炭資源缺乏，需要外運大量煤炭才能滿足機組燃運的需求，因此，煤質往往會偏離 SCR脫硝系統的設計參數，其中煤質中對SCR脫硝系統、特別是催化劑的設計參數影響最大的是煙塵含量。煙塵中含有的大量的堿金屬及重金屬，常對催化劑的活性產生毒害作用，因此，選擇優質的煤種至關重要。

2)合理設計系統，捕捉大粒徑灰粒。在煙道恰當位置設置灰斗和擋灰屏，也可以通過控制煙氣上升段氣流流速控制大粒徑灰粒。在省煤器灰斗中加裝隔板、擋板，在垂直方向加裝隔板和有角度的屏，在灰斗上部的垂直煙道加裝水平位置的屏或大孔徑濾網，均可有效攔截煙塵中大顆粒塵。

3)選擇合理的煙氣流速。在SCR反應器中，煙氣流速過大或過小，均會對催化劑產生影響。過大，對催化劑的機械磨損強度加大；過小，則容易使煙塵沉積在催化劑表面，因此，選擇適宜的煙氣流速能減少對催化劑的機械磨損或積灰。

4 結論

電廠機組燃運的煤質往往會偏離SCR脫硝系統的設計參數，煤質中對SCR脫硝系統中催化劑的設計參數影響最大的是煙塵含量。煙塵的存在會引起催化劑的堵塞，并且煙塵中含有的大量的堿金屬可對催化劑的活性產生毒害作用。因此，制定SCR脫硝系統在高飛灰條件下的應對措施，嚴格控制煙氣中的飛灰含量，對SCR脫硝系統的安全經濟運行尤為重要。

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1008-0198(2014)06-0051-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.015

2014-06-18 改回日期:2014-08-11