燃煤電廠SCR預除塵技術適用性分析

柳冠青

摘 要：為減輕飛灰對SCR催化劑和空預器等設備的負面影響，在SCR之前設置煙氣預除塵裝置，其必要性和意義已經(jīng)逐漸引起行業(yè)內(nèi)的重視。該文分析了燃煤電廠尾部煙氣SCR預除塵對SCR系統(tǒng)、空預器和除塵器等工藝環(huán)節(jié)和設備的影響，并對比分析了基于不同機理的SCR預除塵技術的適用性。

關鍵詞：燃煤電廠 SCR預除塵技術 適用性

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（b）-0030-03

我國大中型燃煤電廠多數(shù)采用SCR脫硝技術，鍋爐尾部煙氣中較高濃度的飛灰對于SCR會產(chǎn)生一定的負面作用，包括導致催化劑堵塞、磨損或中毒，降低脫硝效率，縮短催化劑壽命等。飛灰對SCR下游的空預器也存在較多不利影響，造成空預器積灰、堵塞，特別是在硫酸氫銨的作用下更易形成結垢，導致空預器換熱效率下降、漏風率增大、壓降顯著提高。為了減輕飛灰對SCR催化劑和空預器等設備的負面影響，在SCR之前設置煙氣預除塵裝置，其必要性和意義已經(jīng)逐漸引起行業(yè)內(nèi)的重視。該文分析了不同SCR預除塵技術的物理機制，從脫除效率、壓頭損耗、技術經(jīng)濟性等方面進行對比，指出了不同技術所適用的實際場合。

1 SCR預除塵的意義和價值

我國燃煤電廠的主要除塵裝置通常置于空預器和濕法脫硫塔之間，SCR脫硝系統(tǒng)、空預器處于所謂的高灰環(huán)境中，二者以及下游除塵器的運行都會受到煙氣中較高濃度飛灰的影響。

1.1 SCR預除塵對SCR脫硝系統(tǒng)的影響

飛灰對SCR脫硝系統(tǒng)的影響主要首先體現(xiàn)在催化劑方面。較粗的飛灰容易堵塞催化劑孔道、磨損催化劑材料；較細的飛灰對催化劑的中毒作用比較顯著（尤其是當飛灰中的砷、鈣等元素的含量較高時），細小的飛灰可以直接堵塞催化劑的微觀孔道。

飛灰對SCR的影響最直接的體現(xiàn)是SCR脫硝效率的變化。實驗研究[1]表明飛灰濃度每升高10 g/m3，脫硝效率下降幅度可達約2個百分點。中試試驗[2]發(fā)現(xiàn)不同的積灰時長（清灰間隔）對催化劑脫硝活性影響明顯，實驗催化劑積灰6 h后脫硝效率由94%降為大約82%。根據(jù)此規(guī)律可以估計，在清灰時間為6 h的情況下，當預除塵效率分別為50%和90%時，由于SCR入口粉塵濃度的降低，兩次清灰之間的SCR平均效率將分別提高為91%和92.8%，比無預除塵情況下的平均效率分別增加3%和4.8%，對于脫硝效率的提高將是立竿見影的。

飛灰對催化劑的磨損導致結構強度降低甚至結構破壞，常見的損壞形式是催化劑上層的掏空式或針狀破損[3]。另一方面，飛灰對催化劑孔道壁面的過度磨損會導致壁面變薄，嚴重降低催化劑的整體結構強度。SCR預除塵通過降低脫硝系統(tǒng)入口飛灰濃度，將對減緩催化劑結構損壞起到立竿見影的作用，對于延長催化劑適用壽命和后期再生都具有重要意義。

1.2 SCR預除塵對空預器的影響

飛灰對空預器的直接影響主要是在硫酸氫銨的促進下引起空預器積灰和結垢。SCR存在氨逃逸，并且會促進煙氣中SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，氨與SO3反應形成硫酸氫銨，在空預器的中低溫段凝結形成粘附性特別強的液態(tài)狀，大量粘附飛灰于換熱表面。環(huán)境溫度和機組負荷越低，煤的硫含量和SCR的氨逃逸量越高，則空預器堵塞速度越快。空預器堵塞后其壓降隨之迅速上升，可從設計壓降約1 kPa上升至2～3 kPa[4-5]，導致漏風率、內(nèi)部泄漏率和引風機能耗都顯著增大，降低引風機運行安全性，運行維護（如停機除垢）也成為電廠的嚴重負擔。SCR預除塵降低了空預器前煙氣中的粉塵濃度，而且由于輔助降低了硫酸氫銨的生成（SCR預除塵改善了SCR脫硝效率從而可降低噴氨量及氨逃逸），將直接改善上述狀況。

1.3 SCR預除塵對主要除塵器的影響

目前燃煤電廠的除塵器以電除塵為主，其他還包括布袋除塵器和電袋除塵器。應用SCR前預除塵技術后，主力除塵器的入口濃度將明顯降低。相應地，電除塵器可以采用更少的電場數(shù)（比集塵面積），占地和廠用電率下降；對布袋除塵器來說，平均運行壓降和清灰頻率降低，起到降低廠用電率、延長布袋壽命的作用；對于電袋除塵器，起除塵作用的靜電部分甚至可以取消。

2 SCR預除塵技術適用性分析

2.1 飛灰的粒徑分布特征

飛灰的粒徑是決定除塵技術的設計/選型的最重要因素之一，燃煤電廠煙氣中飛灰的粒徑范圍通常十分寬泛，從幾十納米級到幾毫米級都有分布。2.5 mm以上的飛灰通常為多孔的爆米花飛灰，爆米花飛灰占總飛灰量的5%～10%左右。爆米花飛灰由于尺寸與SCR催化劑流道尺寸相近，因此容易直接堵塞催化劑孔道。稍細的飛灰雖然不能直接形成堵塞，但質(zhì)量濃度比爆米花飛灰大幾倍以上，并且可以通過搭橋的方式造成催化劑孔道堵塞。文獻報道以及作者實測的國內(nèi)部分燃煤電廠的飛灰粒徑數(shù)據(jù)表明，我國燃煤電廠飛灰粒徑分布概率密度（PSD）峰值粒徑普遍在60 μm以上，亦有較大比例的電廠100 μm以上[6-9]。較粗的粒徑分布有利于以較低的代價獲得較高的除塵效率，從而使得SCR預除塵技術具有較高的可行性、良好的技術經(jīng)濟性和規(guī)模化推廣的價值。

2.2 SCR預除塵技術及其適用性分析

SCR預除塵技術根據(jù)其除塵的主要物理機制的不同，主要分為以下幾類，即：（1）煙道/灰斗的空氣動力學優(yōu)化；（2）慣性分離；（3）過濾；（4）離心分離。傳統(tǒng)低溫段除塵技術（靜電/布袋/濕式電除塵器等）設備復雜、高溫高塵環(huán)境下可靠性差，雖曾有相關嘗試和實際應用，但效果不理想，因此該文不對其進行深入討論。

2.2.1 煙道/灰斗的空氣動力學優(yōu)化

煙道/灰斗的空氣動力學優(yōu)化，原理是通過流場的改變或優(yōu)化，充分利用飛灰自身的慣性實現(xiàn)預除塵，具有改造量小、投資省、壓損低等優(yōu)點。相關技術如美國巴威公司針對爆米花飛灰提出在省煤器灰斗上方加裝專利技術的蝠翼形擋板，解決原有設計中較多煙氣的流動路徑遠離灰斗的問題，優(yōu)化煙氣流向，使飛灰盡可能流經(jīng)灰斗中并被分離下來（參考圖1）。與此相似，還可以在SCR上游豎直煙道的底部增設灰斗，并且在灰斗上方設置擋灰板實現(xiàn)預除塵。在SCR上游豎直煙道進行除塵存在被捕集飛灰與煙氣逆流的問題，相比之下在省煤器下方煙道拐彎處除塵能更好地利用重力作用。

2.2.2 過濾

過濾是最為簡單直接的除塵機制之一，通過幾何限制使得超過過濾裝置特征通過尺寸的顆粒被攔截下來。過濾裝置具體形式如格柵板、多孔介質(zhì)板等。由于煙氣流速較高，被過濾裝置阻攔下來的飛灰不易下落，可能造成過濾壓降迅速升高，因此該系統(tǒng)通常必須配置清灰裝置。

在來流飛灰粒徑確定的情況下，此類技術的除塵效果直接取決于過濾裝置的特征通過尺寸，而與粉塵的密度、煙氣的流動特征關系不大，具有易于設計、除塵效率比較確定等優(yōu)點。但SCR之前的高溫高塵環(huán)境以及頻繁甚至連續(xù)的清灰，意味著不可能采用過密、過細的過濾體，因此該技術仍主要適用于爆米花飛灰的脫除。

2.2.3 慣性分離

慣性分離在除塵、除霧等方面應用廣泛，實際上基于煙道/灰斗的空氣動力學優(yōu)化的預除塵技術，本身就是著眼于充分利用顆粒的慣性，但其流場尺度較大，若要進一步提高慣性分離效率，則必須在更小的流場尺度上進行分離。現(xiàn)有技術如在水平煙道擴徑處設置角形擋板和平板形擋板，但實驗表明其效果并不理想，可能與其除塵單元的尺度過大以及飛灰二次攜帶有關。相關學者提出在SCR上游的豎直煙道內(nèi)設置分離器，分離單元優(yōu)選U型結構，其優(yōu)點是設備結構簡單，但如前文所述，此處進行除塵的弊端是捕集的飛灰難以收集、排出，二次攜帶嚴重。針對前述典型問題，部分人員提出了基于慣性攔截單元陣列的SCR預除塵技術，通過設于水平煙道流通截面上的凹槽式的簡單結構件，實現(xiàn)對飛灰的捕捉，與此同時還通過除塵結構件傾斜一定角度以及引流少部分煙氣等手段，促進收塵、排塵，減少二次攜帶。

2.2.4 離心分離

離心分離是廣泛應用的除塵技術，在脫除較粗飛灰方面具有技術較成熟、可靠性較高等優(yōu)點。典型的技術方案主要有兩種：一是采用傳統(tǒng)柱錐形旋風分離器進行預除塵，但傳統(tǒng)柱錐形分離器在處理大煙氣量時，設備尺寸會變得非常龐大，且效率會隨之顯著下降；二是采用多管式旋風分離器（亦稱為旋風管），相關應用如采用耐磨、耐高溫的陶瓷多管式旋風分離器進行化工行業(yè)鍋爐SCR預除塵。多管式旋風分離器相比柱錐形旋風分離器具有效率高、占地緊湊、設備布置靈活性好等優(yōu)點，但設計難度更大，相關的關鍵技術包括漩渦穩(wěn)定、高效葉片設計、防串氣等。

2.2.5 技術對比及適用性分析

無論是空氣動力學、慣性分離還是離心分離，其本質(zhì)都是基于飛灰相對于流體（煙氣）的慣性差異實現(xiàn)分離，而顆粒的慣性可以由無量綱的斯托克斯數(shù)（St）描述，相應地上述各技術的分離能力，可以定性地由該分離設備特征結構和運行參數(shù)下的顆粒St數(shù)評價。St數(shù)的表達式為：

其中ρp、dp分別為飛灰的密度和粒徑；μ為煙氣的動力粘度；U和L分別為預除塵裝置中煙氣的特征流速和預除塵裝置基本分離單元的特征尺寸。在燃煤電廠中，ρp約為2 200 kg/m3，U可取15 m/s。對于空氣動力學原理的預除塵，L可取煙道寬度，此處以5 m作為估計值；對于慣性分離，L可取分離單元橫截面的迎風面寬度，典型值取0.2 m；對于離心分離，L可取旋風分離器（或旋風管）的特征半徑，以旋風管為例典型值取0.2 m。預除塵技術的分離能力可以定性地以St數(shù)等于1時對應的顆粒粒徑dp（St=1）評估。

在以上參數(shù)下，空氣動力學、慣性和離心分離的分離能力大致分別為300 μm、60 μm、60 μm。需要說明的是，旋風管中粉塵的停留時間一般明顯長于慣性預除塵裝置，因此離心分離的效率上限一般優(yōu)于慣性分離。該文所述各種SCR預除塵技術的適用性對比如表1所示。

3 結論與展望

在SCR之前實現(xiàn)煙氣預除塵具有提高SCR脫硝效率、緩解空預器堵塞、降低除塵器工作負荷或設備容量等作用，對于燃煤電廠節(jié)能減排意義顯著。基于空氣動力學優(yōu)化、過濾機制、慣性分離或離心分離的SCR預除塵技術具有不同的適用性，在技術選型和設計時需綜合考慮飛灰脫除能力、電廠實際飛灰特性、預除塵目標、空間場地、費用周期等多種因素。我國SCR預除塵技術的研究和應用尚處于發(fā)展初期，技術研發(fā)的迫切性和潛在的經(jīng)濟社會價值都是十分顯著的。

參考文獻

[1] 劉加慶.兩級煙氣脫硝除塵器及脫硝工藝研究[D].重慶大學，2010.

[2] 高巖，欒濤，彭吉偉，等.燃煤電廠真實煙氣條件下SCR催化劑脫硝性能[J].化工學報，2013（64）：2611-2618.

[3] 夏力偉，張學鎖，韋紅旗，等.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)上層催化劑磨損原因分析[J].熱力發(fā)電，2015（44）：110-114.

[4] 鄔東立，王潔，張國鑫，等.660MWSCR脫硝機組空預器堵塞原因分析及對策[J].浙江電力，2014（3）：46-50.

[5] 安呈帥.大唐洛河發(fā)電廠#6爐空預器堵塞原因分析及處理[J].科技資訊，2014（32）：52.

[6] 孫葉柱，王義兵，梁學東，等.火電廠SCR煙氣脫硝反應器前設置灰斗及增加煙道截面的探討[J].電力建設，2011（32）： 64-68.

[7] 孟素麗，段鈺鋒，黃治軍，等.燃煤飛灰的物化性質(zhì)及其吸附汞影響因素的試驗研究[J].熱力發(fā)電，2009（38）：46-51.

[8] 薛興華，王運泉，肖晨生，等.電廠燃煤飛灰粒度特征研究[J].煤炭學報，2006（31）：635-639.

[9] 田青.正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)在蒲城電廠6#爐除灰改造中的應用[J].能源與環(huán)境，2014（2）：81-83.

[10] 東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司.一種SCR脫硝除塵裝置：中國，102688629A[P].2012-09-26.