600 MW超臨界機組脫硝催化劑損壞原因分析及對策

張鴻，李國勇，車垚

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

600 MW超臨界機組脫硝催化劑損壞原因分析及對策

張鴻，李國勇，車垚

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

針對某電廠脫硝裝置運行過程中發(fā)生的催化劑損壞現(xiàn)象，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，分析催化劑損壞的原因，提出防止催化劑損壞的建議。

SCR；催化劑；飛灰磨損；積灰

選擇性催化還原 (Selective Catalytic Reduction，SCR)煙氣脫硝技術(shù)是目前國內(nèi)燃煤電廠普遍采用的煙氣脫硝技術(shù)，催化劑是其核心部分。催化劑活性好壞不僅會影響系統(tǒng)的脫硝效率和煙氣NOX的達標排放，而且會造成還原劑NH3的夾帶量的增加，影響下游設(shè)備正常運行，引發(fā)機組安全事故。長期運行結(jié)果表明，催化劑活性改變主要有煙塵中攜帶的重金屬引起中毒、煙塵積灰堵塞、高速含塵煙氣沖刷而導(dǎo)致催化劑機械損壞等原因造成〔1〕。

1 概述

1.1 系統(tǒng)介紹

某電廠2×600 MW超臨界燃煤機組鍋爐為超臨界參數(shù)變壓直流本生鍋爐，鍋爐煙氣脫硝裝置采用選擇性催化還原 (SCR)煙氣脫硝技術(shù)，以氨(NH3)為還原劑，反應(yīng)器布置于鍋爐省煤器出口與空預(yù)器之間，為高溫高粉塵布置，催化劑為蜂窩式，采用 “2＋1”模式，催化劑置于SCR反應(yīng)系統(tǒng)上2層。

1.2 脫硝吹灰器運行情況

1號機組脫硝裝置采用蒸汽吹灰和聲波吹灰2種吹灰方式，每層催化劑裝設(shè)有蒸汽吹灰器3臺、聲波吹灰器5臺。脫硝裝置吹灰以聲波吹灰為主。聲波吹灰采取連續(xù)吹灰方式，2臺聲波吹灰器1組，輪換投運；蒸汽吹灰每天吹灰2次。

2 脫硝裝置現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果

2.1 脫硝催化劑表面積灰情況

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，脫硝裝置上層催化劑表面積灰嚴重，且顆粒物粒徑較大。催化劑表面積灰現(xiàn)象主要發(fā)生于催化劑迎風(fēng)側(cè)的上層或工字鋼梁區(qū)域，以及2號蒸汽催化器下方，且積灰主要集中在四周，中部較少。這種積灰現(xiàn)象會導(dǎo)致煙氣阻力和運行壓差上升。與此同時，催化劑背煙側(cè)下表面也存在積灰現(xiàn)象，多發(fā)生在催化劑模塊間隙的鋼梁區(qū)域或上表面已堵塞區(qū)域。這種積灰往往會加劇催化劑的表面孔道堵塞，從而可能導(dǎo)致催化劑內(nèi)部孔道徹底堵塞，無法恢復(fù)通透能力。

2.2 催化劑表層損壞情況

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，部分催化劑孔隙結(jié)構(gòu)損壞明顯。右側(cè)上層催化劑各部位均有損壞，損壞面積約30%，且催化劑嚴重損壞部位存在局部塌陷現(xiàn)象；下層催化劑的損壞程度較上層輕，下層催化劑的爐前側(cè)、爐后側(cè)的損壞程度相對較小，中間部位催化劑損壞較為嚴重。脫硝裝置右側(cè)上層催化劑的損壞及塌陷情況如圖1所示。

圖2顯示，上層催化劑的底部孔道堵塞明顯，且發(fā)現(xiàn)積灰粘結(jié)在單體孔道中。這說明，催化劑內(nèi)部孔道已發(fā)生堵塞，煙氣無法通過催化劑堵塞區(qū)域，使得煙氣中反應(yīng)器內(nèi)部的流場，特別是在催化劑層及催化劑中的流場發(fā)生了變化。這對NOX的脫除效果會產(chǎn)生顯著影響，同時煙氣通過未被堵塞的單體孔道的流速會加大，單體承受的煙氣沖刷急劇增大，導(dǎo)致催化劑頂部的硬化端亦部分損壞，部分單體的硬化端與基體連接處出現(xiàn)斷裂、脫離(參見圖1)。

圖1 催化劑損壞現(xiàn)場

圖2 催化劑單底部堵灰

2.3 吹灰器積灰堵塞情況

現(xiàn)場調(diào)查還發(fā)現(xiàn)SCR系統(tǒng)配套的3組耙式吹灰器出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，如圖3所示。

吹灰器外部伸縮管部分出現(xiàn)明顯銹蝕現(xiàn)象，表明吹灰器的正常運行已受到一定影響。反應(yīng)器內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，吹灰器的孔道中有積灰現(xiàn)象，吹灰管支管底部的吹灰噴嘴被堵塞。結(jié)合催化劑表面破損情況分析可知，吹灰器伸縮異常，底部部分噴嘴被堵，導(dǎo)致部分未堵塞的噴嘴蒸汽流速及壓力加大，使得該噴嘴軌道下方的催化劑破損較為嚴重。

圖3 吹灰器情況

3 催化劑損壞的原因分析

1)催化劑表面的飛灰沉積

催化劑積灰主要來源于是鍋爐側(cè)煙氣攜帶的顆粒狀雜質(zhì) (大粒徑飛灰)。由于顆粒狀雜質(zhì)粒徑大，導(dǎo)致不能有效通過催化劑而積累于催化劑的孔隙間，進而持續(xù)捕集煙氣中的飛灰顆粒，形成積灰現(xiàn)象〔2〕。

大顆粒灰是一種低密度灰，其表面結(jié)構(gòu)疏松多孔，密度小于水，外形不規(guī)則，很容易達到10 mm及以上的尺寸，多形成于鍋爐受熱面表面，較難通過擴展煙道降低流速的手段使其沉降〔3〕。大顆粒灰只要被煙氣攜帶至催化劑表面均會導(dǎo)致催化劑的堵塞，一旦部分通道被堵塞，積灰導(dǎo)致的堵塞面積將會快速增加。

煙氣流通過省煤器灰斗時速度相對較小，煙氣向下流動發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)時，在初始動力和重力的共同作用下，灰顆粒會與煙氣發(fā)生慣性分離。因此省煤器出口灰斗是脫硝裝置之前收集大顆粒灰的最佳位置。當(dāng)省煤器灰斗接近滿灰狀態(tài)時，慣性分離作用大大減弱，煙氣極易將灰斗頂部的粗灰?guī)е撩撓跹b置內(nèi)，并在上層催化劑表面積聚，引發(fā)或加重催化劑層積灰。

2)飛灰對催化劑本體的磨蝕效應(yīng)

催化劑嚴重磨蝕區(qū)域基本位于積灰較少的中部。催化劑層四周大量積灰降低了催化劑橫向界面上煙氣的通流面積，從而造成未積灰區(qū)域煙氣流速增加，在高溫、高速、高塵煙氣的沖刷作用下，催化劑頂端硬化端被破壞，失去保護作用。研究表明，失去硬化端保護后，在煙氣含塵量一定情況下飛灰對單位質(zhì)量催化劑磨損存在以下關(guān)系〔4〕:

式中 mi為飛灰顆粒尺寸間隔i的質(zhì)量百分數(shù)；dp，i為平均顆粒直徑；Ia，i為磨損系數(shù) (與礦物組分有關(guān))；vi為飛灰顆粒速度。

由式 (1)可知，磨損量與流速的3次方成正比，流速大的區(qū)域磨損速率快，催化劑損壞后局部形成煙氣走廊，進而加速附近催化劑的磨損，最終表現(xiàn)為損壞區(qū)域的不斷擴大。

磨損現(xiàn)象呈現(xiàn)區(qū)域性，磨損不嚴重的部位也會發(fā)生強度減弱的情況。因為這些部位在積灰后將承受更大的積灰重力，加上引風(fēng)機的作用，使得局部催化劑上下壓差加大，導(dǎo)致催化劑塌陷。

3)SCR系統(tǒng)吹灰裝置故障原因

耙式吹灰器通常采用蒸汽進行射流吹灰，噴出的蒸汽沿著一個直線路線進行來回吹掃。在主管道上交叉開孔，其吹掃范圍以沿路軌道為中心，射流所到之處，積灰能較好地去除，不能吹到的地方則出現(xiàn)積灰，SCR反應(yīng)器四周容易出現(xiàn)死角，因此該區(qū)域為積灰嚴重部位。同時，由于吹灰器積灰堵塞導(dǎo)致吹灰器清灰效率降低，從而會導(dǎo)致吹掃死角處積灰的在線清除效果不夠理想。加上該廠耙式吹灰器外部伸縮管部分已出現(xiàn)明顯銹蝕現(xiàn)象，表明吹灰器的正常運行已受到一定影響。同時，反應(yīng)器內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)，吹灰器的孔道中存在積灰，吹灰管支管底部的吹灰噴嘴被堵塞，說明部分未堵塞的噴嘴蒸汽流速及壓力加大，使得該噴嘴軌道下方的催化劑破損較為嚴重。

低頻聲波吹灰器是利用聲波的波動特性使催化劑表面上掛的灰脫離，從而達到清灰目的。由于聲波清灰受聲波能量的影響較大，聲波吹灰器通常安裝在SCR反應(yīng)器靠鍋爐側(cè)，其作用面為扇形，一般作用長度約3 m，則與其相對及反應(yīng)器四周容易出現(xiàn)四角而積灰。當(dāng)催化劑四角積灰嚴重時，聲波吹灰器的吹灰效果會降低，從而會加劇催化劑表層積灰。

4 結(jié)論

1)催化劑表層積灰，局部區(qū)域煙氣流速過快，催化劑迎風(fēng)端的硬化層磨損，是導(dǎo)致催化劑損壞的直接原因。

2)隨著上層催化劑表面積灰不斷增多，催化劑頂端硬化端損壞，催化劑強度減弱，是加劇催化劑損壞的主要原因；并且隨著催化劑表面的積灰面積增大，積灰厚度、重量不斷增加，加上催化劑兩側(cè)煙氣壓差作用，導(dǎo)致催化劑發(fā)生局部塌陷現(xiàn)象。

3)脫硝耙式吹灰器外部伸縮管部分銹蝕，吹灰管支管底部的吹灰噴嘴堵塞，聲波吹灰器吹灰性能下降，催化劑層存在吹灰死區(qū)。吹灰死區(qū)一旦出現(xiàn)積灰，難以迅速清除，導(dǎo)致加速積灰效應(yīng)，擴大積灰面積。因此，建議停爐時開展人工檢查、清灰，適時調(diào)整聲波吹灰器的運行方式或壓縮空氣壓力，加強耙式吹灰器的維護管理。

〔1〕段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術(shù) 〔M〕.北京:中國電力出版社，2009.

〔2〕馬英，顧慶華.煙氣脫硝系統(tǒng)積灰成因分析與處理 〔J〕.熱力發(fā)電，2009(12):61-63.

〔3〕汪洋，胡永鋒.燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)預(yù)防大顆粒灰堵塞方法 〔J〕.電力科技與環(huán)保，2012(04):17-19.

〔4〕Hans J ensen-Holm，Nan-Yu Tops?e，崔建華.選擇催化還原(SCR)脫硝技術(shù)在中國燃煤鍋爐上的應(yīng)用 〔J〕.熱力發(fā)電，2007(08):13-19.

Cause analysis and countermeasures of catalyst damage in SCR system of a 600 MW supercritical unit

ZHANG Hong，LI Guo-yong，CHE Yao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Aimed to catalysts failure occurred during the operation of SCR denitrification facility for a certain power plant，according field investigation result，catalysts failure causes are analyzed，and recommendations of avoiding damage are finally provided.

SCR；catalysts；fly ash erosion；ash deposition

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.0013

X511

B

1008-0198(2015)01-0048-03

張鴻(1978)，男，湖南長沙人，大學(xué)本科，工程師，主要從事電力行業(yè)環(huán)境保護工作。

2014-11-11