燃煤電廠實際煙氣脫硝催化劑性能檢測中試平臺建設(shè)與應(yīng)用

秦剛?cè)A，童小忠，陳 彪，王 潔，黃斐鵬

（1.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 311121；2.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，杭州 311121）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)超高壓輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及“深度調(diào)峰”政策的全面實施[1-3]，部分地區(qū)燃煤電廠負(fù)荷率嚴(yán)重下降、運行小時數(shù)驟減，機組長期處于低負(fù)荷或頻繁變負(fù)荷狀態(tài)下，引起鍋爐煙氣量、煙溫、煙氣組成不穩(wěn)定等問題，對脫硝催化劑理化性質(zhì)和壽命造成破壞。搭建SCR（選擇性催化還原）脫硝催化劑[4]中試實驗[5-6]平臺有利于實現(xiàn)對進(jìn)廠前、運行中及末期脫硝催化劑開展脫硝各項性能指標(biāo)的檢測,同時準(zhǔn)確預(yù)判脫硝催化劑剩余使用壽命[7-9]，為末期脫硝催化劑再生、棄用及新催化劑的采購提供數(shù)據(jù)依托。

王康等[10]搭建了由供氣系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、檢測平臺、吸附裝置等4 部分組成的SCR 脫硝催化劑檢測與性能評價的試驗平臺；吳國潮等[11]利用包含煙氣發(fā)生器、煙氣加熱系統(tǒng)等設(shè)備的全尺寸SCR 催化劑性能評價系統(tǒng)對催化劑進(jìn)行性能及壽命的評估。

目前，國內(nèi)外SCR 脫硝催化劑性能實驗平臺均采用配氣或燃燒天然氣的方式模擬燃煤煙氣，此方式只能對小尺寸催化劑模塊進(jìn)行測試，不能準(zhǔn)確反映全尺寸催化劑的實際工作狀態(tài)；并且這類裝置只適合在特定的原煙氣條件下開展實驗，無法模擬燃煤電廠實際運行工況下因負(fù)荷變動對催化劑產(chǎn)生的影響，也無法模擬實際煙氣濕度、煙氣中顆粒物及重金屬、堿土金屬、鹵素離子[12-14]等對催化劑理化和工藝特性的影響[15]。因此，有必要搭建利用燃煤電廠實際煙氣作為試驗煙氣的脫硝催化劑性能測試平臺，更準(zhǔn)確地檢測催化劑工藝特性，掌握催化劑全壽命周期內(nèi)各時期的活性，建立更精確的催化劑失活曲線，預(yù)測催化劑剩余使用壽命。同時可利用實際煙氣性能測試平臺開展脫硝系統(tǒng)相關(guān)實驗研究。

1 中試平臺設(shè)計

依托某發(fā)電廠3 號機組，自機組A 側(cè)脫硝反應(yīng)器進(jìn)口煙道引出一路旁路煙氣作為原煙氣，通過SCR 脫硝催化劑中試裝置后的尾部煙氣回流至機組A 側(cè)除塵器進(jìn)口煙道。SCR 脫硝催化劑位置見圖1。

圖1 SCR 中試裝置位置

自機組省煤器出口落灰段后、A 側(cè)脫硝反應(yīng)器進(jìn)口前煙道引出一股工況煙氣進(jìn)入中試裝置。原煙氣通過換熱系統(tǒng)與循環(huán)冷卻水換熱調(diào)整煙溫后進(jìn)入脫硝系統(tǒng)。同時，在原煙氣引出口與裝置換熱器進(jìn)口前布置一路旁路，旁路上安裝一套除塵系統(tǒng)，（部分）煙氣可通過旁路進(jìn)行除塵，調(diào)節(jié)煙氣中顆粒物濃度。顆粒物落入除塵器底部灰斗中，當(dāng)灰斗內(nèi)顆粒物收集高度達(dá)到高限位時，自動卸料。煙氣經(jīng)換熱后可通過配氣系統(tǒng)進(jìn)行配氣，制備后的原煙氣進(jìn)入脫硝系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)包括噴氨裝置、氨/稀釋風(fēng)混合器、脫硝反應(yīng)器（并聯(lián)2 臺）、吹灰器等。經(jīng)脫硝系統(tǒng)后的凈煙氣經(jīng)引風(fēng)機回流至機組A 側(cè)除塵器進(jìn)口煙道。

2 工藝系統(tǒng)介紹

SCR 脫硝催化劑中試裝置主要由除塵系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)等部分組成。SCR脫硝催化劑中試裝置系統(tǒng)見圖2。

圖2 SCR 中試裝置系統(tǒng)

2.1 除塵系統(tǒng)

在原煙氣引出口與換熱器進(jìn)口旁路煙道上布置一臺立式電除塵器，并于脫硝反應(yīng)器出口布置一臺高溫引風(fēng)機，利用引風(fēng)機風(fēng)壓平衡系統(tǒng)阻力，同時起到輸灰作用，保證中試平臺長時間穩(wěn)定運行。除塵系統(tǒng)在運行過程中需滿足以下幾點：

（1）立式電除塵器底部設(shè)計灰倉，灰倉內(nèi)有高料位計和低料位計，料位計輸出信號與灰倉卸灰口卸灰裝置相連接，自動控制灰倉中的粉煤灰存儲量。當(dāng)存灰量過大時，高料位計向卸料裝置發(fā)送開啟信號，卸灰裝置啟動；當(dāng)存灰量過小時，低料位計向卸灰裝置發(fā)送關(guān)停信號，卸灰裝置關(guān)閉。

（2）立式電除塵器頂部安裝振打裝置，定時對除塵器內(nèi)部進(jìn)行振打，清除積灰。

（3）電除塵內(nèi)部煙氣流速小于5 m/s，保證電除塵器除塵效率。

（4）通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機頻率，控制進(jìn)入SCR 中試平臺的煙氣量在450～500 m/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），以控制脫硝反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速小于5 m/s，保證煙氣在脫硝反應(yīng)器內(nèi)的停留時間。

（5）引風(fēng)機出口管路管徑可適當(dāng)縮小，從而提高煙氣流速，有利于攜帶粉煤灰回流至鍋爐。

2.2 換熱系統(tǒng)

中試裝置內(nèi)換熱系統(tǒng)由管式換熱器、循環(huán)冷卻水箱及各管路和閥門組成。通過調(diào)節(jié)換熱器進(jìn)水量來控制換熱器出口煙氣溫度，換熱器出口可控?zé)煖胤秶鸀?80～380 ℃。

2.3 配氣系統(tǒng)

煙氣配氣系統(tǒng)布置在管式換熱器出口煙道與氨噴射煙道之間，可通過配氣預(yù)留口向原煙氣中添加特定成分，調(diào)節(jié)原煙氣組分，開展重金屬、堿土金屬、鹵素離子等對催化劑理化和工藝特性的影響等實驗。

2.4 脫硝系統(tǒng)

中試裝置內(nèi)脫硝系統(tǒng)由氨/稀釋風(fēng)混合器、氨/煙氣混合器、脫硝反應(yīng)器（2 臺）及各管道、閥門組成。每側(cè)反應(yīng)器分3 層，每層反應(yīng)器可裝填催化劑規(guī)格為150 mm×150 mm×（600～1 200）mm。氨氣和稀釋風(fēng)均從3 號機組氨氣、稀釋風(fēng)母管引出，經(jīng)氨/稀釋風(fēng)混合器混合均勻后噴入中試煙道，與原煙氣混合后進(jìn)入脫硝反應(yīng)器。經(jīng)脫硝處理后的凈煙氣回流至3 號機組A 側(cè)電除塵進(jìn)口煙道。脫硝系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意：

（1）兩側(cè)脫硝反應(yīng)器頂部安裝吹灰裝置，定期吹灰，防止催化劑內(nèi)部及反應(yīng)器側(cè)壁積灰。

（2）兩側(cè)脫硝反應(yīng)器底部設(shè)計清灰口，以便于在裝置停運期間清理反應(yīng)器底部積灰。

（3）因本平臺可用于后期SCR 脫硝催化劑性能檢測和壽命管理，脫硝反應(yīng)器的設(shè)計應(yīng)考慮盡可能便于催化劑的拆卸，可采取側(cè)開門的方式拆裝催化劑。

3 工藝特性指標(biāo)檢測

通過本SCR 脫硝催化劑中試平臺可對脫硝催化劑脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器壓降等工藝特性指標(biāo)進(jìn)行檢測，詳見表1。

表1 分項指標(biāo)及測試方法

同時可在實驗室檢測脫硝催化劑幾何特性（比表面積、開孔率等）和理化指標(biāo)（化學(xué)成分、耐磨強度、抗壓強度等）。

4 應(yīng)用實例

4.1 催化劑性能檢測

取已在國內(nèi)某裝機容量為330 MW 的燃煤機組脫硝系統(tǒng)上運行20 000 h 的脫硝催化劑和結(jié)構(gòu)、成分與之相同的新鮮脫硝催化劑作為樣本，在本SCR 脫硝催化劑中試裝置上進(jìn)行脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)器壓降等性能指標(biāo)的檢測。

分別將舊催化劑和新鮮催化劑放入SCR 脫硝催化劑中試裝置脫硝反應(yīng)器內(nèi)，調(diào)整脫硝反應(yīng)器入口煙氣溫度，噴氨氨/氮比設(shè)定為0.9。測試工況與結(jié)果見表2。

表2 新、舊催化劑測試工況和結(jié)果

如表2 所示，在控制工況條件相似條件下，舊催化劑脫硝效率下降3.8%，氨逃逸率上升0.91 mg/m3；SO2/SO3轉(zhuǎn)化率有所下降，可能由于舊催化劑表面積下降，催化劑通道及微孔堵塞造成[16]；舊催化劑阻力較新鮮催化劑略微上升。

4.2 爐效影響及成本費用分析

分別對4.1 小節(jié)完成的2 次催化劑性能試驗進(jìn)行鍋爐效率影響分析，分析結(jié)果見表3。

表3 鍋爐效率影響分析

經(jīng)計算分析，當(dāng)平臺啟用時，對原機組造成的鍋爐熱損失不大于0.01%。

利用該真實煙氣中試裝置開展一次全尺寸脫硝催化劑性能檢測成本費用如表4 所示。

表4 成本費用分析

5 結(jié)語

本文搭建的實際煙氣脫硝催化劑性能測試平臺利用燃煤電廠實際煙氣作為試驗煙氣，可同步實際煙氣中的CO，CO2和鹵化氫等氣體成分、高濃度的粉煤灰及飛灰中的堿金屬（鈉Na、鉀K等）、堿土金屬（鈣Ca 等）和重金屬（砷As 等）對脫硝催化劑的工藝特性和理化特性造成的影響，催化劑工藝特性和理化特性測試結(jié)果更接近真實數(shù)據(jù)，能更精確掌握脫硝催化劑的活性和剩余使用壽命，有利于更好地保障燃煤電廠脫硝系統(tǒng)的應(yīng)用性、安全性和經(jīng)濟性。