飞灰对SCR脱硝系统的影响

文小于，陶莉，周艳明

(1.湖南省湘电试研技术有限公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

飞灰对SCR脱硝系统的影响

Influence of fly ash on selective catalytic reduction denitration system

文小于1，陶莉2，周艳明2

(1.湖南省湘电试研技术有限公司，湖南长沙410007；2.国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

以2个电厂的SCR脱硝系统为典型研究对象，分别统计和分析2个电厂烟气中烟尘含量、SCR系统运行情况以及催化剂活性的变化情况。根据催化剂催化原理，结合SCR系统特点及实际运行情况，制订SCR脱硝催化剂高灰条件下的应对措施。

飞灰；电厂；SCR系统；表面沉积物；催化剂活性

随着GB13223—2011《大气污染物排放标准》的实施，各燃煤火力发电机组纷纷增设烟气脱硝系统以降低氮氧化物的排放。目前使用最广泛的是选择性催化还原脱硝 (SCR)技术〔1〕，该技术中催化剂是其重要组成部分〔2〕。在实际运行中，由于煤质与设计值常出现偏差，尤其是飞灰含量经常超过设计值，导致出现飞灰堵塞催化剂的现象，飞灰中携带的碱金属 (如K2O和Na2O等)还会引起催化剂中毒〔3-5〕，另外飞灰的高速冲刷会导致催化剂出现机械损坏，使SCR脱硝系统阻力增加，催化剂活性下降〔2，6〕。这不仅影响系统的脱硝效率和NOx的达标排放，而且会造成还原剂NH3夹带量的增加，对下游设备造成腐蚀，引起设备安全性问题〔5〕。

湖南省境内现有300MW以上发电机组33台，与SCR脱硝系统同步建设的机组共有7台，其它为改建机组。文中选取烟气飞灰含量较高的A，B 2个电厂配套的SCR系统为研究对象，通过统计分析2个电厂的设计参数和运行情况以及电厂的煤质、飞灰成分，考察烟气中的飞灰对SCR系统的影响，并据此提出SCR脱硝系统应对高飞灰条件的具体措施。

1 SCR系统设计参数和运行状况

1.1 SCR系统设计参数

A电厂1，2号机组 (2×300 MW)和B电厂1，2号机组 (2×600 MW)的SCR系统设计模式类似，催化剂为蜂窝整体式，催化剂布置采用 “2＋1”模式。SCR催化剂设计参数见表1。

1.2 SCR系统运行情况及吹灰装置

A电厂1，2号机组配套SCR反应器间歇运行21 000 h左右；B电厂1，2号机组配套SCR催化剂处于高温高尘环境已有38 000 h，基本未喷氨投运。A电厂和B电厂为湖南省首批与主机同时设计、安装的SCR脱硝系统，SCR反应器只安装了耙式吹灰器。

2 飞灰含量对SCR系统的影响

2.1 电厂煤质分析

2.1.1 A电厂1号机组煤质统计

据统计2011年及2012年A电厂1号机组燃用煤质，其中2011年统计数据589组，其收到基低位发热量范围为11.35～18.06MJ/kg；2012年统计数据432组，其收到基低位发热量范围为12.25～18.32MJ/kg。

图1为2011年和2012年A电厂1号机组燃用煤质产生的烟尘含量。由图 1可知，2011年和2012年燃用煤质中灰分含量较高，至少有将近一半的时间燃用的煤质灰分含量超过了SCR催化剂设计参考值 (50 g/Nm3)。

A电厂2011年煤质统计数据295 d，灰分在34.69%～53.85%之间，平均44.49%。烟尘量在36～73 g/Nm3之间，其中大于50 g/Nm3的约268 d。

2012年煤质统计数据246 d，灰分在37.66%～50.09%之间，平均 43.23%。烟尘量在 39～70 g/Nm3之间，其中大于50 g/Nm3的约239 d。

由此可见，2011—2012年，A电厂的SCR脱硝系统在绝大多数的时间内均是在灰分含量超过设计标准的情况下运行的。

2.1.2 B电厂2号机组煤质统计

2012年B电厂2号机组燃用煤质共统计数据1 125组，其收到基低位发热量范围为 12.475～25.796MJ/kg。

由图2可知，2012年B电厂2号机组燃用的煤质波动很大，该年度煤质统计数据1 125组，灰分在5.63%～50.54%之间，烟尘量在6～65 g/Nm3之间，其中大于50 g/Nm3的约占7.1%。

相对于A电厂，B电厂煤质中灰分含量较低。由于B电厂机组安装有低氮燃烧器，其SCR系统入口NOx浓度较低，一般低于400 g/Nm3。

2.2 电厂机组飞灰组分分析

2.2.1 A电厂1号机组飞灰组分分析

2011年10月及2012年10月在主机停运时，进入1号机组SCR系统B反应器进行了脱硝催化剂表面灰样取样，并对其表面进行检查。表2为催化剂表面积灰的成分分析数据。

由表2可知，A电厂催化剂表面积灰的主要成份为SiO2和Al2O3，同时积灰中还含有碱性的K2O和Na2O，以及酸性的P2O5及重金属PbO等。由于SCR催化剂属于一种固体酸催化剂，其骨架结构中掺杂的V2O5以及少量的WO3，使得催化剂表面携带有酸性的B酸位而成为NOx和NH3的反应活性位点，而积灰中的碱性元素覆盖在催化剂的表面，常常会中和催化剂的活性酸性位点〔7〕，同时飞灰中的重金属会与催化剂骨架中V形成配位物而将消耗骨架中的V，使骨架中的V流失而降低催化剂的反应活性〔8，9〕。因此，减少催化剂表面的积灰是维持或延长催化剂活性的有效手段之一。

2.2.2 B电厂2号机组飞灰组分分析

2011年B电厂2号机组停运时，进入反应器中对催化剂表面积灰取样，并对其成分进行分析检测。具体数据见表3。

B电厂SCR催化剂表面积灰的成分有所不同，其碱金属含量较A电厂的小，而CaO的含量比A电厂的高出将近1倍，Ca2＋与催化剂中分散的钒类物质相互作用较小，并且对催化剂表面的酸性点位影响很小〔10〕，从烟尘中成分可推测，B电厂烟尘对催化剂的影响主要表现为物理堵塞等。

3 SCR系统催化剂活性检测

3.1 SCR系统催化剂活性检测方法

催化剂活性测试在自制的实验室模拟装置上进行，装置包括以下4个系统:模拟气体配制系统、气体加热系统、固定床反应系统及在线分析系统。模拟烟气的实际成分:NO为1 000mg/m3，SO2为3 000mg/m3，O2含量为4%、VNH3/VNO＝1.0，模拟烟气的空间速度SV＝4 000 h－1。

3.2 A电厂SCR系统催化剂活性检测

3.2.1 SCR系统催化剂单体堵塞率

对A电厂催化剂调查发现，在运催化剂单体有部分孔道受堵，其中前端受堵孔道数量较后端多，约占总孔道数的46.7%，后端约占总孔道的15.6%，堵塞孔道的主要为干燥的极细的烟尘，和新鲜催化剂相比，在运催化剂由于其孔道受堵，导致其脱硝效率有所降低。

3.2.2 催化剂活性测试

表4为催化剂的NH3－TPD测试数据。SCR催化剂在140℃左右出现一个弱酸中心，表4数据显示，随着运行时间的延长，表面总酸量呈下降趋势，在运催化剂表面总酸量较新鲜催化剂下降了35.3%。由于酸量大小与掺杂金属的量密切相关，因此，可以推断，相比于新鲜催化剂，在运催化剂中掺杂元素V、W的含量有所下降。同时，由于催化剂表面积灰严重，且灰中含有碱金属物质，可能对催化剂的酸性活性位点产生中和作用，导致催化剂酸量下降〔9，11〕。

3.3 B电厂SCR系统催化剂活性检测

3.3.1 SCR系统催化剂单体堵塞率

催化剂单体有部分孔道受堵，其中前端受堵孔道数量较后端多，约占总孔道数的48.5%，后端约占总孔道的30.6%，经检查，堵塞孔道的主要为干燥的极细的烟尘。

3.3.2 催化剂活性测试

2012年5月，待B电厂2号机组主机停运时，进入其SCR系统A反应器，取出催化剂模块，采用实验室烟气脱硝模拟装置，对催化剂的脱硝活性等进行了分析测试。

经过测试可知，B电厂在运催化剂的脱硝效率为94.12%，相对于新鲜催化剂而言，脱硝效率由新鲜的97.34%下降到94.12%，高于A电厂的催化剂脱硝活性。SCR催化剂吡啶吸附红外谱图如图3所示，催化剂中所含有的B酸、L酸的峰面积结果如表5所示。

由表5可知，与新鲜催化剂相比，虽然B电厂催化剂基本没有处于投运状态，但由于长期受烟气冲刷，其表面酸性液发生变化，其中B酸，L酸分别下降了43.24%，22.32%。

烟气中的水溶性离子随飞灰堆积在催化剂的表面，会对催化剂产生毒害作用〔12〕。催化剂表面水溶性阳离子的分析结果如表6所示。

从表6可以看出K＋，Na＋，Ca2＋，N运行前后的含量有明显的差别，其中K＋是新鲜催化剂的50倍，Na＋是新鲜催化剂的10倍，由此可见，烟尘中携带的碱金属等元素能沉积在催化剂的表面，特别是K＋的积累量较大，碱金属在催化剂表面的积累对催化剂的酸性活性位点产生毒害，中和了催化剂中的酸性位点，在表5数据中可以得到验证。

3.4 SCR脱硝系统高灰条件下的应对措施

1)由于湖南省煤炭资源缺乏，需要外运大量煤炭才能满足机组燃运的需求，因此，煤质往往会偏离 SCR脱硝系统的设计参数，其中煤质中对SCR脱硝系统、特别是催化剂的设计参数影响最大的是烟尘含量。烟尘中含有的大量的碱金属及重金属，常对催化剂的活性产生毒害作用，因此，选择优质的煤种至关重要。

2)合理设计系统，捕捉大粒径灰粒。在烟道恰当位置设置灰斗和挡灰屏，也可以通过控制烟气上升段气流流速控制大粒径灰粒。在省煤器灰斗中加装隔板、挡板，在垂直方向加装隔板和有角度的屏，在灰斗上部的垂直烟道加装水平位置的屏或大孔径滤网，均可有效拦截烟尘中大颗粒尘。

3)选择合理的烟气流速。在SCR反应器中，烟气流速过大或过小，均会对催化剂产生影响。过大，对催化剂的机械磨损强度加大；过小，则容易使烟尘沉积在催化剂表面，因此，选择适宜的烟气流速能减少对催化剂的机械磨损或积灰。

4 结论

电厂机组燃运的煤质往往会偏离SCR脱硝系统的设计参数，煤质中对SCR脱硝系统中催化剂的设计参数影响最大的是烟尘含量。烟尘的存在会引起催化剂的堵塞，并且烟尘中含有的大量的碱金属可对催化剂的活性产生毒害作用。因此，制定SCR脱硝系统在高飞灰条件下的应对措施，严格控制烟气中的飞灰含量，对SCR脱硝系统的安全经济运行尤为重要。

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1008-0198(2014)06-0051-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.015

2014-06-18 改回日期:2014-08-11