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W型鍋爐SCR脫硝裝置積灰原因分析與治理

更新時間:2020-03-19 10:22 來源:中國電力 作者: 王方勇 李文杰 閱讀:894 網友評論0

摘要: 某電廠W型火焰鍋爐燃用高灰分無煙煤,SCR脫硝反應器催化劑、導流板、整流格柵、支撐鋼梁積灰嚴重,造成了流場不均勻和催化劑堵塞,影響了SCR脫硝系統的性能。根據運行經驗和CFD技術,分析得出SCR脫硝裝置積灰的原因是設計不合理、催化劑選型不合理、流場不均、吹灰效果不佳、長期低負荷運行和燃煤灰分遠超設計值。通過采用煙氣流場優化及1∶10物理模型試驗,對導流板、整流格柵和頂部煙道進行了改造,同時將蜂窩式催化劑更換為板式催化劑,加裝聲波吹灰器。改造后運行3個月,對脫硝裝置進行內部檢查,反應器水平煙道、導流板積灰明顯減少,整流層未見積灰,催化劑表面和孔隙無積灰、堵塞現象,證明所采取的各項措施有效解決了SCR反應器內積灰、催化劑堵塞問題。

0 引言

目前, 燃煤電廠對氮氧化物的脫除多采用SCR 技術。某電廠2×300 MW 機組采用東方 鍋爐廠生產的W 型火焰鍋爐,所配套的SCR脫硝裝置(簡稱SCR)采用高灰段布置[3]。由于長期處于高塵煙氣下, 該廠SCR 反應器發生了嚴重積灰。本文通過對高塵煙氣條件下SCR 反應器不同部位積灰原因分析, 提出了燃用高灰分無煙煤W 型火焰鍋爐SCR 脫硝裝置預防積灰的措施。

1 概況

某電廠2 臺機組SCR脫硝裝置分別于2009 年5 月和10 月投入運行。鍋爐燃煤特性、SCR 脫硝裝置參數、催化劑參數分別如表 1 、表 2和表 3 所示。該電廠SCR 脫硝系統積灰部位包括: 催化劑本體、整流格柵、導流板及支撐鋼梁。由于催化劑堵灰分布不均,造成局部煙氣流速過高或過低,高流速區催化劑磨損增大,甚至出現穿孔或垮塌,而低流速區催化劑被灰徹底堵死。整流格柵孔積灰存在全堵或半堵情況,堵灰無法通過常規手段清掃或清除。導流板積灰主要集中在其中間支柱的部位。

2 積灰原因分析

(1)實際燃煤灰分嚴重超出設計值。某電廠燃用當地劣質無煙煤, 原設計煤種灰分Aa r 為32.62%,校核煤種灰分Aar 為34.38%,SCR 脫硝裝置入口煙氣含塵質量濃度設計值為40.4 g/m3;實際燃煤灰分Aar 為40.53%~45.81%,煙塵質量濃度為56~70 g/m3,比設計值增加40% 以上。煙氣灰含量越高、流速越低,灰顆粒在SCR 反應器內的聚集作用就會越明顯,因而某電廠催化劑發生堵灰問題存在一定的必然性[4-6]。

(2)催化劑選型不合理。SCR 脫硝技術的核心是催化劑[7-9],文獻[10]指出,當煙塵質量濃度小于30 g/m3 時宜優先選用蜂窩式催化劑,當煙塵質量濃度>40 g/m3 時宜優先選用平板式催化劑。某電廠煙塵質量濃度已達56~70 g/m3,大大超出了蜂窩式催化劑的應用范圍,在防堵灰方面已經不適合采用蜂窩式催化劑。

(3)SCR 反應器煙氣設計流速偏低。某電廠SCR 反應器截面設計較大, 根據設計煤質計算,反應器空塔流速為4.1 m/s,不利于煙氣對飛灰的攜帶作用,加之煙氣灰分較高和粘度較高,相較其他電廠脫硝系統,機組在低負荷運行時水平段煙道及導流板水平段積灰較多。另外,電廠長期低負荷運行,高粘度灰易出現板結,無法依靠系統運作將積灰帶走。

(4)流場不均。某電廠煙氣經過整流格柵后流線不規整, 在防積灰板下游存在較強的回流區;在催化劑層前,氣流速度存在高速帶與低速帶相間布置。

(5)SCR 脫硝反應器入口導流板設計不合理。導流板支架結構占用流動空間較大,導流板支架的加強板后方易形成渦流,造成導流板上容易發生灰沉降,積灰在導流板上形成波浪般的形態。

(6)反應器入口罩與整流格柵夾角較小。反應器入口罩與整流格柵夾角為12°,且反應器入口罩后墻頂部與整流格柵高度只有100 mm,空間較小,容易產生積灰。

(7)設計時未對SCR 反應器內的支撐、鋼梁、支架等工字鋼結構進行包覆處理。未經包覆的內部構件處形成煙氣渦流,造成工字鋼兩側積灰嚴重, 且在工況變化或吹灰時該處積灰易掉落。一旦積累形成大塊, 并掉落到催化劑表面時,掉落的塊灰不易粉碎,直接堵塞了催化劑孔道,形成了局部區域的大團堵灰。

(8)吹灰器吹灰效果不佳。SCR 反應器每層僅安裝了3 個蒸汽吹灰器, 吹灰器每8 h 投運1 次,蒸汽吹灰器不能完全覆蓋催化劑,存在吹灰死角,部分催化劑表面的灰不能及時得到清除。

3 改進措施

3.1 SCR 流場優化改造

3.1.1 流場優化改造前CFD 計算結果

(1)數值模擬邊界條件。數值模擬范圍以省煤器出口煙道為進口邊界,以SCR 脫硝反應器出口煙道為出口邊界。模擬計算認定進口邊界的煙氣速度及溫度分布均勻,經過水平煙道、轉向煙道、豎直煙道及進入SCR 反應器的過渡煙道后,不同的導流板及整流格柵布置方式會對煙氣的發展產生不同的影響。本文通過第1 層催化劑層前500 mm 處的8 排8 列共64 個測點來判定SCR脫硝系統的煙氣流場發展情況。以下速度、濃度及溫度偏差計算數據均取自第1 層催化劑層前64 個測點。模擬計算不考慮煙道桁架、內撐桿、節點板、擋板門及積灰等因素的影響。

( 2) 流線分布。優化改造前額定工況條件下SCR 煙氣脫硝系統中煙氣的流線分布如圖 1 所示。由圖 1 可見,優化改造前煙氣經過整流格柵后流線很不規整,整流格柵鋼梁上的防積灰板迎著氣流方向,導致煙氣在防積灰板下游的部分整流格柵區形成較強的回流區, 回流區發展到第1 層催化劑層前仍然得不到消除,導致煙氣流線與第1 層催化劑層垂直方向的夾角大于10°。

(3)速度分布。優化改造前額定工況條件下第1 層催化劑入口截面處的氣流速度分布如圖 2所示。經計算得出第1 層催化劑入口截面上氣流速度相對標準偏差為22.7%,大大超過文獻[11]關于SCR 反應器內第1 層催化劑入口截面流速相對標準偏差應不大于15% 的要求。由于4 排整流格柵鋼梁防積灰板的作用,在催化劑層前形成了煙氣速度高速帶與低速帶相間布置的局面,嚴重影響了氣流分布的均勻性,速度過高會造成催化劑沖蝕和磨損, 速度過低會造成催化劑積灰和堵塞,從而影響催化劑的壽命和脫硝性能[12]。

(4)催化劑層前濃度和溫度分布。優化改造前第1 層催化劑入口截面上氨體積分數相對標準偏差為2.9%,溫度最大絕對偏差不高于2℃,滿足技術規范的要求。

3.1.2 SCR 流場優化改造方案

(1)導流板改造。導流板的布置形式、結構和數量對SCR 反應器流場分布具有直接影響,直接關系到SCR 反應器煙氣速度的均勻性,并影響到煙氣溫度場及飛灰的分布[13-17]。根據CFD(計算流體力學) 數值模擬計算和物理模型試驗結果,對反應器入口導流板重新布置,采用薄板型式, 增加導流板的數量, 改變導流板的支撐型式,防止產生煙氣渦流;豎井煙道上部弧形導流板半徑由345 mm 增加到600 mm,同時將導流板水平段尾板長度由465 mm 縮短至300 mm;在水平板下方加裝1 組向下傾斜15°的導流板,進一步提高水平煙道和導流板水平段上部的流速。斜煙道入口處導流板數量由3 塊增加到11 塊。流場優化改造前后反應器結構如圖 3 所示。

(2)整流格柵改造。整流格柵孔徑由100 mm×100 mm 更換成100 mm×300 mm,增大了整流格柵通流能力,降低了整流格柵孔積灰搭橋堵塞的概率。

(3)反應器頂部斜煙道重新設計。斜煙道水平夾角由原設計12°改為16°,增大了頂部煙道斜角與整流格柵間的空間,改善了頂部斜煙道積灰條件。

(4)加裝防積灰板。反應器內工字鋼均采用鐵板包覆兩邊,防止形成積灰和渦流。

3.1.3 流場優化改造后CFD 計算結果

(1)流場優化改造后,SCR 脫硝系統中的流線比較規整,流線在整個SCR 脫硝系統中的分布比較均勻,與第1 層催化劑層垂直方向的夾角不超過10°。

(2)第1 層催化劑入口截面處的氣流速度相對標準偏差為1.9%。

(3)第1 層催化劑入口截面處的氨體積分數相對標準偏差為3.0%,溫度最大絕對偏差不高于2 ℃。

(4)2 號鍋爐SCR 流場優化改造后,入口煙道上部仍然存在積灰,為此在原水平板下方加裝了1 組向下傾斜15°的導流板,以進一步提高水平段煙道和導流板水平段上部的流速。在50% 負荷工況條件下,加下傾斜15°導流板之后可將水平段煙道和第1 道導流板水平段上部的流速由之前的6~7 m/s 提高到7~8 m/s,50% 工況下豎直煙道上部導流板改造后速度云圖如圖 4 所示。運行3 個月后,檢查入口煙道上部積灰明顯減少。

3.1.4 SCR 脫硝系統物理模型煙花示蹤試驗

針對數值模擬得出的流場優化方案, 按照1∶10 的比例制作了物理模型并進行了物理模型試驗[18],煙花示蹤照片如圖 5 所示。物理模型試驗結果為:系統流線分布均勻,充盈度良好,無明顯回流區域,系統無明顯的積灰區域;在機組100%、75% 及40% 額定工況條件下,第1 層催化劑入口截面上的煙氣流速相對標準偏差分別為5.4%、5.6% 和5.5%,滿足技術規范的要求。

3.2 蜂窩催化劑更換成板式催化劑

平板式催化劑在防止飛灰堵塞、抗磨損和抗中毒等方面具有很大的優勢[19],2014 年6 月某電廠將原蜂窩催化劑更換為板式催化劑,板式催化劑參數如表 4 所示。

3.3 吹灰系統優化改造

1 臺機組SCR 脫硝系統增設16 臺聲波吹灰器,每層每側催化劑增加3 臺聲波吹灰器,反應器入口增加4 臺聲波吹灰器。對吹灰器運行方式進行優化,蒸汽吹灰器定期吹灰,3 次/天,以深度清除催化劑表面積灰, 減少催化劑堵灰的概率,同時吹灰蒸汽壓力由0.8 MPa 降至0.5 MPa;聲波吹灰器吹灰間隔時長為60 s,全天均按此方式運行,以維持催化劑表面較低的粉塵沉積。

4 效果及其評價

2014 年6 月某電廠對脫硝流場進行了優化改造并將催化劑全部更換成板式,同時進行了吹灰系統優化改造。脫硝裝置改造前后壓降對比如表 5所示。由表 5 可見,在300 MW 負荷下,催化劑阻力下降145 Pa,氨逃逸體積分數下降3.43×10-6,運行的安全性和經濟性得到了明顯提高。

流場優化改造和更換板式催化劑運行3 個月(運行平均負荷為額定負荷的75% 左右)后,對脫硝裝置進行內部檢查,發現反應器水平煙道、導流板積灰明顯減少,整流層未見積灰,催化劑表面和孔隙無積灰、堵塞現象(見圖 6~8),從圖 6~8 可以看出,積灰情況改善非常明顯。

5 結語

研究結果表明:(1)采用CFD 技術得到的SCR 流場優化方案切實可行, 按優化方案調整后,機組在額定工況條件下,SCR 反應器煙氣流速、氨濃度、溫度偏差均滿足規范要求。(2)燃用高灰分無煙煤, 在煙氣含塵質量濃度為56~70 g/m3 時,通過采用板式催化劑、聲波吹灰器與蒸汽吹灰器組合的運行方式,可以明顯減輕SCR 反應器內部積灰和催化劑堵塞現象。(3)在煙塵濃度比設計值增加較多時, 為減少進入SCR 反應器內的煙塵濃度,建議在SCR 入口豎直煙道底部增設灰斗及輸灰系統。

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