深度調峰下的燃用準東煤火電廠SCR脫硝系統積灰治理研究

華電環保系統工程有限公司烏魯木齊分公司 張小兵

1 引言

隨著電力市場改革的深入推進，燃煤電廠上網電價競爭激烈。某發電有限公司2×330MW 機組在配合電網深度調峰的背景下，通過摻燒準東煤實現發電成本的降低，提高上網的競爭力。但也因為參與深度調峰及摻燒準東煤，造成SCR區域催化劑積灰嚴重，影響機組的安全穩定運行。

2 積灰形成機理

2.1 不同工況下煙氣流量均勻性對積灰的影響

現在公用火電廠承擔的調峰任務日趨加重，日負荷在40%～100%之間波動。而脫硝系統均按全負荷設計，在SCR 設計及后續超低排放改造過程中，對SCR 煙氣入口流場進行數值模擬和物理模擬，根據數模和物模結果對入口煙道導流板進行設計配置。但由于現實工況變化大，原本適用于滿負荷工況下的流場在40%負荷時，因為煙氣充滿度急劇下降而不再適用，導致SCR表面積灰沉積。現有的吹灰手段有限，無法將沉積積灰及時吹散，導致長期運行后，SCR 部分區域催化劑因積灰堵塞失去功能，參與反應的催化劑減少。而流通區域催化劑磨損加劇，催化劑壽命顯著降低。

2.2 摻燒準東煤對SCR積灰的影響

由于煤炭市場因素，越來越多的準東煤在新疆燃煤電廠燃燒。準東煤在新疆北部電廠占比約70%，準東煤在南部電廠占比約30%。準東煤礦的煤炭質量具有以下特點。一是整體含水率高，遠高于設計煙煤，接近水平褐煤。二是灰中SiO2和Al2O3含量明顯偏低，CaO、MgO 和Na2O 含量明顯偏高。有較高的堿性化合物，導致灰中的SO3含量明顯較高。三是灰中硫、氮含量遠低于設計煤。四是準東煤的著火穩定性、燃燒性能和腐蝕性能均強于工程煤。五是由于準東煤灰的鈣、鈉含量較高，具有污染強的特點，在鍋爐水平煙道、尾煙道受熱面、SCR 催化劑區等處造成頻繁污染和剝落。

3 現有SCR吹灰器的問題

3.1 蒸汽吹灰器在運行過程中存在的問題

吹灰系統利用高壓高溫蒸汽流經無級旋轉噴嘴高速噴射，產生較大的沖擊力將灰燼吹到受熱面上，并隨煙氣帶走，達到用途。

在發電廠中耙式蒸汽吹灰器是一種通常用于SCR 脫硝的蒸汽鼓風機，吹灰的目的是通過用高速蒸汽流沖擊反應器表面實現的。但是蒸汽吹灰器的脫硝系統存在很多問題，蒸汽吹灰過程中，煙灰主要靠高速運動的蒸汽與催化劑表面碰撞產生的沖擊力去除。高速運動的蒸汽會使催化劑表面嚴重松動，導致催化劑大量損失，縮短催化劑的使用壽命，最終增加運行成本。

蒸汽吹灰一般采用耙式蒸汽吹灰器，蒸汽強度大，對催化劑表面的浮灰有效，但對蒸汽品質要求較高，需要一定的蒸汽過飽和度，蒸汽吹灰系統的特性要求如下：蒸汽壓力0.6～1.0MPa,蒸汽至少要比其在相應壓力下的飽和溫度高出50～100℃。實際運行中蒸汽吹灰頻次較低，大多采用一班一次的運行方式。過分依賴蒸汽吹灰或提高蒸汽吹灰頻次，會造成運行成本增加[1]。

同時在SCR 系統中的蜂窩狀催化劑內部空隙較多且結構復雜，采用蒸汽吹灰時蒸汽不能進入催化劑內部，存在吹灰死角。隨著脫硝運行時間的增加，催化劑表面出現積灰現象，阻礙NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面發生作用，導致催化劑鈍化，使得實際作用的催化劑外表面減少，造成活性降低，催化劑催化效率降低。

3.2 傳統聲波吹灰器在運行過程中的存在的問題

目前電廠脫硝系統催化劑吹灰大多采用傳統聲波吹灰器，例如膜片式聲波吹灰器、旋笛式聲波吹灰器等。但由于聲波吹灰器廠家對積灰特性、聲波頻率選擇、布置方式等認識不足，導致吹灰器應用效果參差不齊。

法國的家長在孩子10歲左右時，就給他們設立一個個人的獨立銀行賬戶，并劃入一筆錢。法國家長的目標是讓孩子從小就學會明智、科學，而不是機械、盲目地“理財”。

聲波吹灰技術是通過特定的聲學發生器調制，在反硝化反應器區域運行的高壓氣流產生的強大聲波。由于聲波的傳播和空氣分子的高速周期性振蕩，使換熱器表面或顆粒間的塵粒被破壞，阻止了結合，使表面的塵粒可與催化劑分離并在懸浮煙霧的情況下吸附。聲學除灰機理為“掃除”，鼓風機輸出能量矢量為“聲波”，通過聲場與沉積在催化劑表面的灰進行能量交換，從而達到除灰的效果。聲波強烈而快速變化的震動將污垢的附著狀態與受熱面上的污垢分離，造成裂紋和污垢破碎現象。在聲波的影響下，污垢從加熱表面被剝離并被帶出煙囪[2]。

聲波吹灰器利用聲波排煙，適用性好。然而，聲學吹灰器也有一定的局限性。來自聲源的聲波傳播到煙氣中，必須有足夠的能量才能到達墻壁。由于煙氣中灰分和氣體顆粒的相對運動，摩擦力的損失導致聲能的額外耗散，導致能量衰減，需要實現煙氣中的聲波衰減盡可能小。聲波的頻率越高，衰減越快，聲波的有效距離越低；頻率越低，衰減速度越慢，聲波的有效距離越大。因此，低頻聲波在煙氣中可以傳播很遠的距離，而高頻聲波在煙氣中衰減很快。但聲波頻率低，單位時間內被聲波拉動和壓縮灰粒的次數少，分散粉碎效果弱，不能有足夠的力量去除頑固的灰燼。

4 內置抵近式聲波吹灰器技術分析

內置抵近式吹灰法是將聲波吹灰器裝置布置在煙道內接近積灰處，縮短了聲波與積灰的直線距離，聲波覆蓋比較均勻，達到完全覆蓋煙道內的聲場。聲能場作用于煙囪內換熱管的各個角落，使清灰更徹底，避免了催化劑的直接損壞。

內置抵近式聲波發生器充分考慮到鍋爐煙囪內部的特殊環境，在材料和結構上采用了特殊的設計，具有耐高溫和耐磨性。煙道外只有壓縮空氣管道和電磁閥，因此該設計空間適應性非常好，它可以從煙囪墻上的任何地方插入。

4.1 內置抵近式吹灰器特點

4.1.1 安全可靠，不損壞催化劑

嵌入式高強度聲波吹灰技術利用聲波原理，依靠高強度聲波迫使煙塵進入震動稀釋的狀態清理灰燼。工作介質將機械能轉化為聲能為間接吹灰方式，不吹除催化劑，保證催化劑的使用壽命，達到降低運行成本的目的。

4.1.2 爐膛設計，除塵徹底

4.1.3 多種模式

內置聲學吹灰技術，聲強高，可選蒸汽工質為油煙或壓縮空氣。使用蒸汽時，可從鍋爐底部進風口或原蒸汽鼓風機的蒸汽源取蒸汽，為鍋爐發電提供優質蒸汽，與傳統吹灰相比節省蒸汽90%以上。

4.1.4 操作維護簡單

內置抵近式吹灰器與蒸汽吹灰、聲波吹灰相比，整機無須機械，即可大大降低運行維護成本。

4.1.5 清潔生產，節能降耗

鍋爐運行過程中，粉塵不會從吹灰孔噴出污染環境，空氣不會泄漏到鍋爐內影響效率。由于吹灰耗氣量小，能夠滿足實際吹灰頻率的要求，能夠有效減少排煙熱損失，節能降耗效果顯著。

5 應用案例

本文以某發電有限公司2×330MW 機組為例，該公司為1180t/h 亞臨界壓力一次中間再熱自然循環鍋爐電站鍋爐，原設計堿溝煙煤，實際燃用準東煤。準東煤高堿、高鐵，屬嚴重結焦煤，防治結焦成為鍋爐運行的核心問題。

在摻燒準東煤運行過程中，機組要參與電網深度調峰。脫硝催化劑在機組運行過程中會產生玷污和積灰，阻礙NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面發生作用，影響供熱和供電安全。

5.1 技改方案

在脫硝B側反應器31m及34m層爐后側安裝內置抵近式吹灰器，每層安裝三組吹灰器壓縮空氣母管，在反應器壁上開DN80 的圓孔，并將吹灰器壓縮空氣母管與反應器壁板接觸面滿焊。根據聲波傳播的特性以及內置抵進式吹灰器的吹灰原理，并考慮不影響煙氣的流向以及現場的實際情況，每組吹灰器壓縮空氣母管上安裝7 只內置抵近式吹灰器。在反應器內鋼梁上吊裝壓縮空氣聯箱母管爐內吊架，標高等同于聲波吹灰墻箱內孔標高。壓縮空氣聯箱母管爐外法蘭依次安裝電磁閥、手動隔離門、金屬軟連接，金屬軟連接壓縮空氣管。

抵近式吹灰器布置示意圖如圖1所示。

圖1 抵近式吹灰器布置示意圖

此布置方式可以有效彌補原脫硝區域膜片式聲波吹灰器聲強衰減導致反應器爐后側大量積灰的問題，且吹灰器布置可以避免吹灰器吹掃范圍不能相互覆蓋存在吹掃死角。

此次技改后的脫硝吹灰系統采用自動控制模式，無須人工干預。單臺機組共42臺聲波吹灰器，每次運行一組，每次運行20s。根據脫硝系統在線監控出現的各種工況，可以實時調整設置的循環時間和運行周期，始終保持清灰效果，控制系統壓差在合理范圍內。

抵近式聲波吹灰器噴嘴布置示意圖如圖2所示。

圖2 抵近式聲波吹灰器噴嘴布置示意圖

5.2 經濟效益

2×330 MW 機組共裝設催化劑1000m3，煙氣流速6.11m/s。若催化劑因積灰堵塞30%，則會造成流通區域催化劑煙氣流速增加30%。造成催化劑磨損與煙氣流速的平方成正比且使用壽命急劇下降、堵塞區域催化劑失去作用、氨流場分布不均等損失。

失效催化劑：1000×0.3×1.2/4=90 萬元。磨損催化劑：1000×0.7×1.2×0.4/4=840萬元。每年減少因催化劑失效、磨損產生的費用為174萬元。

6 結語

隨著電力改革的深入、電力市場交易日趨成熟，發電市場競爭日趨激烈，節能減排、降本增效是發電企業關注的重點，深度調峰下的燃用準東煤火電廠SCR脫硝系統積灰問題已經嚴重影響機組的安全穩定運行。利用內置抵近式吹灰器彌補膜片式聲波吹灰器的不足，保證催化劑表面潔凈增加催化劑與NOx、MH3、O2的接觸面積，提高催化劑活性，保證脫硝效率，噴氨量減小，保證煙氣通道順暢，降低引風機電耗。提高催化劑反應活性，保證機組長期安全經濟穩定運行。