積灰坍塌對催化劑堵塞問題影響實(shí)驗(yàn)研究

鄧淮銘，陳鴻偉，趙 超，朱棟琦，趙寶寧

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

積灰坍塌對催化劑堵塞問題影響實(shí)驗(yàn)研究

鄧淮銘，陳鴻偉，趙 超，朱棟琦，趙寶寧

(華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

為探索選擇性催化還原(SCR)煙氣脫硝系統(tǒng)催化劑上方的整流格柵積灰突然坍塌對SCR催化劑堵塞的影響，采用有機(jī)玻璃搭建小型冷態(tài)試驗(yàn)臺模擬整流格柵部位積灰坍塌的情形進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用原灰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，蜂窩式催化劑最多有5% 的孔被堵塞，且通風(fēng)與否對其堵塞有很大影響；當(dāng)原灰中按一定比例混入大顆粒灰時，隨著下料量的增加，催化劑孔堵塞數(shù)目呈線性上升的趨勢。當(dāng)下料量達(dá)到10 kg時，催化劑最多有15% 的孔被堵塞，且通風(fēng)與否對其影響不大。鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大顆粒灰，會對催化劑堵塞影響嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上提出在省煤器與SCR催化劑層間煙道內(nèi)加裝攔截網(wǎng)，對大顆粒灰進(jìn)行預(yù)脫除的建議，以期對電廠安全運(yùn)行提供參考。

煙氣脫硝；選擇性催化還原；粉塵顆粒；催化劑堵塞；積灰坍塌；大顆粒灰

0 引言

燃煤電廠污染物主要包括煙塵、二氧化硫和氮氧化物(NOx)等。其中，NOx排放到大氣中會引起酸雨和光化學(xué)煙霧[1]。為減少NOx排放，大多數(shù)燃煤電廠均配有煙氣脫硝系統(tǒng)[2]，其穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要[3]。選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)煙氣脫硝技術(shù)因其技術(shù)成熟和較高的脫硝率，現(xiàn)已在世界范圍內(nèi)成為大型工業(yè)鍋爐煙氣脫硝的主流工藝[4]。國內(nèi) SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)一般采用高塵布置，煙氣中存在大量的粉塵顆粒對 SCR 催化劑的磨損和堵塞具有顯著影響[5-6]。

催化劑作為SCR系統(tǒng)的核心，其性能直接影響整體脫硝效果[7-8]。催化劑的堵塞是造成催化劑物理失活的主要因素之一，催化劑堵塞一般可以分為孔內(nèi)堵塞和通道堵塞2種情況，其中催化劑通道堵塞是指較大粒徑的飛灰顆粒直接覆蓋或堵塞催化劑通道的情況，減少了所裝載催化劑的有效體積[9]，使得脫硝效率降低，增大了機(jī)組NOx排放量。造成催化劑堵塞的原因[10-11]有：流場不合理、鍋爐長期低負(fù)荷運(yùn)行、低溫下脫硝運(yùn)行、煙氣中存在爆米花灰和吹灰器吹灰效果差等。此外，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研燃煤鍋爐SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)催化劑的堵塞情況，發(fā)現(xiàn)催化劑上方的整流格柵積灰較為嚴(yán)重，且積灰達(dá)到一定程度后突然坍塌可能造成催化劑堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。因此，研究整流格柵積灰坍塌對催化劑層的影響至關(guān)重要，而在該方面的研究未見報(bào)道。

為研究爐內(nèi)不同質(zhì)量積灰坍塌時，大量原灰顆粒以及大顆粒灰對催化劑孔堵塞問題的影響，本文通過搭建冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺模擬爐內(nèi)惡劣工況的方法找出催化劑孔堵塞的主要物理因素，對SCR催化劑、空預(yù)器等部位防止堵塞研究具有一定的參考價值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的簡化示意圖，主要實(shí)驗(yàn)裝置包括蜂窩式催化劑、通風(fēng)管道、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)等。為方便對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀測，本實(shí)驗(yàn)臺主體選用透明有機(jī)玻璃板制成。實(shí)驗(yàn)臺主體用圓形通風(fēng)管道與主風(fēng)道連接，并依次通過布袋除塵器和引風(fēng)機(jī)。

圖1 堵灰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

冷態(tài)實(shí)驗(yàn)臺主體部分為內(nèi)截面150 cm×150 cm的有機(jī)玻璃制長方體，上下2個水平抽板的間隔為500 mm。水平抽板下150 mm×150 mm×1 000 mm的催化劑層，催化劑每個孔大小為7 mm×7 mm，共18×18個孔。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)旨在研究積灰坍塌質(zhì)量變化與不同速度下飛灰顆粒對催化劑堵塞的影響。風(fēng)速依次選為0 m/s和4 m/s。其中0 m/s風(fēng)速，即不通風(fēng)時模擬整流格柵上的堆積灰突然坍塌時，大劑量的飛灰顆粒通過催化劑的情形，并將其與通風(fēng)時催化劑堵塞情況進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)所用原灰灰樣是從國內(nèi)某電廠取得的原灰，大顆粒灰(>6.7 mm)是從該電廠催化劑格柵上方積灰處取得。實(shí)驗(yàn)工況包括不通風(fēng)狀況下原灰實(shí)驗(yàn)、不通風(fēng)狀況下原灰中混入部分大顆粒灰實(shí)驗(yàn)、通風(fēng)狀況下(4 m/s)原灰實(shí)驗(yàn)和通風(fēng)狀況下原灰中混入部分大顆粒灰實(shí)驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)不通風(fēng)狀況下原灰的坍塌實(shí)驗(yàn)

在風(fēng)機(jī)關(guān)閉狀況下，撤去水平抽板1，插入緊挨催化劑層的水平抽板2(0 mm工況)，用原灰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

首先，稱取1 kg原灰置于水平抽板2上。迅速將水平抽板2抽離，以達(dá)到灰堆突然坍塌的效果。靜置片刻，待催化劑上側(cè)灰顆粒趨于穩(wěn)定，完成實(shí)驗(yàn)。

再依次稱取原灰2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg、7 kg、8 kg、9 kg、10 kg，重復(fù)坍塌實(shí)驗(yàn)。

考慮到整流格柵與催化劑層之間往往需要布置聲波吹灰器以及預(yù)留人員進(jìn)入維護(hù)的空間，二者之間一般預(yù)留2～3 m的空間。因此，實(shí)驗(yàn)室條件下再選取距離催化劑表層0.5 m(即500 mm)處設(shè)置水平抽板2。

撤去水平抽板2，插入距催化劑上表面500 mm處的水平抽板1(500 mm工況)，在不通風(fēng)情況下重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

(2)不通風(fēng)狀況下原灰中混入大顆粒灰的坍塌實(shí)驗(yàn)

依次取1 kg、2 kg、3 kg、4 kg、5 kg、6 kg、7 kg、8 kg、9 kg、10 kg的原灰，在其中均勻混入一定比例的大顆粒灰。按照上述方法分別在0 mm與500 mm工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(不通風(fēng))，依次記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(3)通風(fēng)狀況下坍塌實(shí)驗(yàn)

在電廠鍋爐實(shí)際運(yùn)行過程中，高速流動的煙氣攜帶灰顆粒流經(jīng)整流格柵與催化劑層，灰顆粒的堆積情況與無風(fēng)狀態(tài)有所不同。對國內(nèi)某電廠調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，煙氣流經(jīng)催化劑層速度為4.5 m/s左右，實(shí)驗(yàn)室條件下選取4 m/s的風(fēng)速。

打開引風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)數(shù)字流量計(jì)，將風(fēng)速穩(wěn)定為4 m/s時開始實(shí)驗(yàn)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)(1)和(2)中的步驟，進(jìn)行通風(fēng)狀況下原灰坍塌實(shí)驗(yàn)和混入大顆粒灰后的原灰的坍塌實(shí)驗(yàn)。

(4)為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對每個工況均進(jìn)行了2組驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，去掉個別有明顯偏差的結(jié)果，再對3組數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不通風(fēng)工況下坍塌實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)工況下對各個實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行拍照記錄，圖2為不通風(fēng)條件0 mm 工況下原灰坍塌實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個實(shí)物圖。

圖2 不通風(fēng)工況實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察可發(fā)現(xiàn)，單純用原灰實(shí)驗(yàn)時催化劑孔堵塞數(shù)目較少，而混入大顆粒灰之后會發(fā)現(xiàn)大量的大顆粒灰未通過催化劑孔，形成了堵塞。為更清楚地區(qū)分大顆粒灰混入前后的變化趨勢，將4種工況下的平均數(shù)據(jù)繪制在一起，如圖3所示。其中，工況1～4分別為不通風(fēng)狀況下0 mm原灰實(shí)驗(yàn)、500 mm原灰實(shí)驗(yàn)、0 mm原灰中混有大顆粒實(shí)驗(yàn)和500 mm原灰中混有大顆粒實(shí)驗(yàn)。

圖3 不同工況下孔堵塞數(shù)目

從圖3可看出，原灰實(shí)驗(yàn)時2種工況的孔堵塞數(shù)目均呈現(xiàn)先增加再趨于穩(wěn)定的趨勢，且穩(wěn)定時0 mm工況的孔堵塞數(shù)目要略高于500 mm工況。造成這種現(xiàn)象的原因是由于在原灰中含有少量的爆米花灰和板結(jié)灰。當(dāng)大劑量的原灰突然下落時，部分爆米花灰和板結(jié)灰會對催化劑孔洞形成覆蓋，導(dǎo)致灰顆粒無法通過該孔洞，進(jìn)而形成堵塞現(xiàn)象；另一部分較小顆粒的爆米花灰以及經(jīng)撞擊破碎成小顆粒的爆米花灰可以直接通過催化劑孔而不會形成堵塞或者對催化劑孔造成半堵塞；半堵塞狀態(tài)的催化劑孔仍有灰顆粒通過，大劑量的灰顆粒對卡在孔內(nèi)的爆米花灰進(jìn)行沖刷和磨損會使一部分半堵塞狀態(tài)的催化劑孔通暢，另一部分可能會再次堆積爆米花灰而使孔洞徹底堵塞。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原灰質(zhì)量達(dá)到5～6 kg左右時，由于爆米花灰的堵塞和灰顆粒沖刷的雙重作用，催化劑孔堵塞數(shù)目基本達(dá)到了一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，此時孔堵塞數(shù)目基本不再有明顯變化。由于500 mm工況下，灰堆與催化劑層間有一定距離，這就使灰顆粒到達(dá)催化劑上表面時已經(jīng)有了一定的初速度，大顆粒灰的撞擊破碎以及灰顆粒對半堵塞狀態(tài)的孔洞的沖刷作用更為明顯，導(dǎo)致動態(tài)平衡狀態(tài)下孔堵塞數(shù)目相對較少。

當(dāng)原灰中混入大顆粒灰時，催化劑孔堵塞的趨勢與原灰有明顯區(qū)別，隨著下料量的增加，0 mm和500 mm 工況下催化劑孔堵塞數(shù)目均呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的趨勢。將這2種工況的孔堵塞情況在origin下按線性擬合的方式進(jìn)行處理，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不通風(fēng)時原灰加入大顆粒后擬合直線

0 mm工況線性擬合結(jié)果為截距 3.2、斜率 4.618 18的直線，直線方程為y=4.618 18x+3.2。其中x為下料質(zhì)量，y為催化劑孔堵塞數(shù)目；500 mm工況線性擬合結(jié)果截距為 3.33、斜率為 3.939 39的直線，直線方程為y=3.939 39x+3.33。通過趨勢圖和線性擬合直線可發(fā)現(xiàn)，2種工況下孔堵塞數(shù)目擬合良好且均呈現(xiàn)出按一定斜率直線增長的趨勢。與原灰狀況類似，500 mm工況時由于灰顆粒到達(dá)催化劑層時已經(jīng)具有一定的初速度，部分爆米花灰會破碎成小塊通過催化劑孔，不會造成堵塞。因此， 500 mm工況的線性擬合方程的斜率要小于 0 mm工況。

2.2 通風(fēng)工況下坍塌實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)工況下對各個實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行拍照記錄，圖 5為通風(fēng)條件0 mm 工況下原灰坍塌實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個實(shí)物圖。

圖5 通風(fēng)工況實(shí)驗(yàn)

從圖5中可以看出在通風(fēng)條件下，原灰實(shí)驗(yàn)的孔堵塞數(shù)目極少。而按照前述方法在原灰中混入一定比例的大顆粒灰時，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明催化劑堵塞現(xiàn)象依舊很嚴(yán)重，這與不通風(fēng)狀況沒有太大差別。由此可見，模擬電廠運(yùn)行工況下大顆粒灰對催化劑堵塞的影響比原灰要明顯得多。

參照不通風(fēng)狀況下的實(shí)驗(yàn)，將通風(fēng)狀況下坍塌實(shí)驗(yàn)也分為4個工況。工況1～4分別為：0 mm 原灰實(shí)驗(yàn)、500 mm 原灰實(shí)驗(yàn)、0 mm 原灰中混有大顆粒實(shí)驗(yàn)和500 mm 原灰中混有大顆粒實(shí)驗(yàn)。將4種不同工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的水平數(shù)據(jù)繪制于一張折線圖中，如圖6所示。

圖6 通風(fēng)狀況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖 6可知，工況1與工況2催化劑堵塞孔數(shù)均在 0～2 之間波動，下料量的增加對孔堵塞數(shù)目幾乎沒有影響。造成這種現(xiàn)象的原因是由于原灰中沒有能堵塞催化劑孔的大顆粒灰，而可能存在的板結(jié)灰也會因高速氣流的攜帶作用撞擊催化劑表層而破碎成細(xì)小顆粒，因此這種情況下幾乎不會引起催化劑堵塞現(xiàn)象。由此可知，鍋爐正常運(yùn)行過程中，煙道內(nèi)單純的細(xì)灰對催化劑堵塞問題影響不大。而工況3與工況4的曲線依舊呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。為方便將2條曲線進(jìn)行對比，將其進(jìn)行線性擬合，如圖7所示。

圖7 通風(fēng)時原灰加入大顆粒擬合直線

0 mm 工況下線性擬合結(jié)果斜率為 3.830 3、截距為 1.333 3的直線，直線方程為y=3.830 3x+1.333 3，線性擬合良好。其中x為下料量，y為催化劑孔堵塞數(shù)目。500 mm 工況下擬合結(jié)果為斜率 3.515 15、截距 -0.933 3的直線，直線方程為y=3.515 15x- 0.933 3，線性擬合良好。

對比這2種工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合直線方程可以發(fā)現(xiàn)，隨著下料量的增加，孔堵塞數(shù)目也呈現(xiàn)出迅速增長的態(tài)勢。500 mm 工況的增長速度相比0 mm工況略低，這與不通風(fēng)狀況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢相同，但2條擬合直線的斜率均呈現(xiàn)出不同程度的降低。有以下2種原因會造成這種現(xiàn)象：①由于原灰中均勻混入了一定比例的大顆粒灰，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果均呈現(xiàn)出按一定比例逐步增加的趨勢；②通風(fēng)狀況下，由于高速氣流的攜帶，會有更多的大顆粒撞擊催化劑表層后破碎成較小顆粒而通過催化劑孔，因此相同工況下的擬合直線斜率均比不通風(fēng)時要低。

將同類工況進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)與否對原灰實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大。不通風(fēng)時原灰實(shí)驗(yàn)催化劑孔堵塞數(shù)目最多可達(dá)到 5% 左右，當(dāng)風(fēng)機(jī)開通時原灰?guī)缀醪粫鸫呋瘎┒氯麊栴}。當(dāng)在原灰之中均勻混入一定比例的大顆粒灰之后，通風(fēng)與不通風(fēng)狀況下，催化劑孔堵塞數(shù)目均呈現(xiàn)出直線增長的趨勢，且二者增長的斜率相差不大。當(dāng)下料量達(dá)到10 kg 時，催化劑孔堵塞數(shù)目最多可達(dá) 15% 左右，這對催化劑層流場和流速影響很大。結(jié)合電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況，正常運(yùn)行狀況下整流格柵上方會出現(xiàn)大量積灰堆，這些灰堆中包含了大量的大顆粒灰[12]。如果這些大顆粒灰進(jìn)入到催化劑層，會形成催化劑大面積堵塞現(xiàn)象，已堵塞的催化劑也會很快發(fā)展成大面積堵塞，這不僅會使催化劑層流場和流速更加不均，還會加劇催化劑層的磨損問題，降低催化劑使用壽命。由此可見，對這些大顆粒灰進(jìn)行預(yù)先消除顯得至關(guān)重要。省煤器灰斗改造和灰斗上方加裝攔截濾網(wǎng)可有效攔截?zé)煔庵械拇箢w粒灰，從而大大降低進(jìn)入催化劑層大顆粒灰的數(shù)目，降低催化劑層堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)不通風(fēng)狀況下用原灰實(shí)驗(yàn)時，催化劑孔堵塞數(shù)目會呈現(xiàn)出先增加后基本趨于穩(wěn)定的趨勢；而通風(fēng)狀況下的原灰實(shí)驗(yàn)時，催化劑基本不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。由此推測在實(shí)際電站鍋爐運(yùn)行過程中，單純的細(xì)灰顆粒并不會造成催化劑堵塞問題。

(2)當(dāng)原灰中混入一定比例的大顆粒灰后，無論是通風(fēng)還是不通風(fēng)工況，催化劑孔堵塞數(shù)目均呈現(xiàn)出逐步增長的趨勢。實(shí)際電廠運(yùn)行過程中，爐內(nèi)會產(chǎn)生許多大顆粒灰，若這些大顆粒灰進(jìn)入到催化劑層，會造成催化劑堵塞問題加劇、催化劑性能降低等諸多不利因素。

(3)由于大顆粒灰危害巨大，在大顆粒灰進(jìn)入催化劑層前對其進(jìn)行消除顯得尤為重要。由此提出對省煤器下方灰斗加裝濾網(wǎng)來攔截進(jìn)入催化劑層的大顆粒灰，從而減輕催化劑堵塞問題，具有重要意義。

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Experimental Study on the Effect of Deposited Ash Collapse on Catalyst Blockage

DENG Huaiming，CHEN Hongwei，ZHAO Chao，ZHU Dongqi，ZHAO Baoning

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003，China)

In order to explore the effect of the deposited ash collapse from the rectifying grids located above the catalyst of selective catalytic reduction (SCR) denitration system on the catalyst blockage, a small cold test rig made of organic glass was used to simulate the behavior of experiment conditions.The experimental results showed that the amount of honeycomb catalyst grids blockage may reach up to 5% when the original ash was used, and the blockage was significantly influenced by ventilating or not.The amount of catalyst grids blockage increased linearly with the increase of the ash feeding amount as a ratio of big particle ash was mixed in the original ash.The amount of catalyst blockage may reach up to 15% when the ash feeding amount was 10 kg, and there was no influence on the blockage whatever ventilating or not.Therefore, the big particle ash produced from the process of boiler operation has a great effect on the catalyst blockage.Based on the experimental results above, the suggestion of installing the intercept net between economizer and catalyst to remove big particle ash was proposed to provide a reference for the safe operation of the power plant.

flue gas denitration; selective catalytic reduction; dust particles; catalyst blockage; ash collapse; large particle ash

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.06.009

2017-04-12。

X773

A

1672-0792(2017)06-0055-05

鄧淮銘(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槿济弘娬敬髿馕廴疚锱欧趴刂萍夹g(shù)，省煤器灰斗改造技術(shù)。