张鸿，李国勇，车垚

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

600 MW超临界机组脱硝催化剂损坏原因分析及对策

张鸿，李国勇，车垚

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

针对某电厂脱硝装置运行过程中发生的催化剂损坏现象，根据现场调查结果，分析催化剂损坏的原因，提出防止催化剂损坏的建议。

SCR；催化剂；飞灰磨损；积灰

选择性催化还原 (Selective Catalytic Reduction，SCR)烟气脱硝技术是目前国内燃煤电厂普遍采用的烟气脱硝技术，催化剂是其核心部分。催化剂活性好坏不仅会影响系统的脱硝效率和烟气NOX的达标排放，而且会造成还原剂NH3的夹带量的增加，影响下游设备正常运行，引发机组安全事故。长期运行结果表明，催化剂活性改变主要有烟尘中携带的重金属引起中毒、烟尘积灰堵塞、高速含尘烟气冲刷而导致催化剂机械损坏等原因造成〔1〕。

1 概述

1.1 系统介绍

某电厂2×600 MW超临界燃煤机组锅炉为超临界参数变压直流本生锅炉，锅炉烟气脱硝装置采用选择性催化还原 (SCR)烟气脱硝技术，以氨(NH3)为还原剂，反应器布置于锅炉省煤器出口与空预器之间，为高温高粉尘布置，催化剂为蜂窝式，采用 “2＋1”模式，催化剂置于SCR反应系统上2层。

1.2 脱硝吹灰器运行情况

1号机组脱硝装置采用蒸汽吹灰和声波吹灰2种吹灰方式，每层催化剂装设有蒸汽吹灰器3台、声波吹灰器5台。脱硝装置吹灰以声波吹灰为主。声波吹灰采取连续吹灰方式，2台声波吹灰器1组，轮换投运；蒸汽吹灰每天吹灰2次。

2 脱硝装置现场调查结果

2.1 脱硝催化剂表面积灰情况

现场勘查发现，脱硝装置上层催化剂表面积灰严重，且颗粒物粒径较大。催化剂表面积灰现象主要发生于催化剂迎风侧的上层或工字钢梁区域，以及2号蒸汽催化器下方，且积灰主要集中在四周，中部较少。这种积灰现象会导致烟气阻力和运行压差上升。与此同时，催化剂背烟侧下表面也存在积灰现象，多发生在催化剂模块间隙的钢梁区域或上表面已堵塞区域。这种积灰往往会加剧催化剂的表面孔道堵塞，从而可能导致催化剂内部孔道彻底堵塞，无法恢复通透能力。

2.2 催化剂表层损坏情况

现场发现，部分催化剂孔隙结构损坏明显。右侧上层催化剂各部位均有损坏，损坏面积约30%，且催化剂严重损坏部位存在局部塌陷现象；下层催化剂的损坏程度较上层轻，下层催化剂的炉前侧、炉后侧的损坏程度相对较小，中间部位催化剂损坏较为严重。脱硝装置右侧上层催化剂的损坏及塌陷情况如图1所示。

图2显示，上层催化剂的底部孔道堵塞明显，且发现积灰粘结在单体孔道中。这说明，催化剂内部孔道已发生堵塞，烟气无法通过催化剂堵塞区域，使得烟气中反应器内部的流场，特别是在催化剂层及催化剂中的流场发生了变化。这对NOX的脱除效果会产生显著影响，同时烟气通过未被堵塞的单体孔道的流速会加大，单体承受的烟气冲刷急剧增大，导致催化剂顶部的硬化端亦部分损坏，部分单体的硬化端与基体连接处出现断裂、脱离(参见图1)。

图1 催化剂损坏现场

图2 催化剂单底部堵灰

2.3 吹灰器积灰堵塞情况

现场调查还发现SCR系统配套的3组耙式吹灰器出现不同程度的腐蚀现象，如图3所示。

吹灰器外部伸缩管部分出现明显锈蚀现象，表明吹灰器的正常运行已受到一定影响。反应器内部检查发现，吹灰器的孔道中有积灰现象，吹灰管支管底部的吹灰喷嘴被堵塞。结合催化剂表面破损情况分析可知，吹灰器伸缩异常，底部部分喷嘴被堵，导致部分未堵塞的喷嘴蒸汽流速及压力加大，使得该喷嘴轨道下方的催化剂破损较为严重。

图3 吹灰器情况

3 催化剂损坏的原因分析

1)催化剂表面的飞灰沉积

催化剂积灰主要来源于是锅炉侧烟气携带的颗粒状杂质 (大粒径飞灰)。由于颗粒状杂质粒径大，导致不能有效通过催化剂而积累于催化剂的孔隙间，进而持续捕集烟气中的飞灰颗粒，形成积灰现象〔2〕。

大颗粒灰是一种低密度灰，其表面结构疏松多孔，密度小于水，外形不规则，很容易达到10 mm及以上的尺寸，多形成于锅炉受热面表面，较难通过扩展烟道降低流速的手段使其沉降〔3〕。大颗粒灰只要被烟气携带至催化剂表面均会导致催化剂的堵塞，一旦部分通道被堵塞，积灰导致的堵塞面积将会快速增加。

烟气流通过省煤器灰斗时速度相对较小，烟气向下流动发生90°偏转时，在初始动力和重力的共同作用下，灰颗粒会与烟气发生惯性分离。因此省煤器出口灰斗是脱硝装置之前收集大颗粒灰的最佳位置。当省煤器灰斗接近满灰状态时，惯性分离作用大大减弱，烟气极易将灰斗顶部的粗灰带至脱硝装置内，并在上层催化剂表面积聚，引发或加重催化剂层积灰。

2)飞灰对催化剂本体的磨蚀效应

催化剂严重磨蚀区域基本位于积灰较少的中部。催化剂层四周大量积灰降低了催化剂横向界面上烟气的通流面积，从而造成未积灰区域烟气流速增加，在高温、高速、高尘烟气的冲刷作用下，催化剂顶端硬化端被破坏，失去保护作用。研究表明，失去硬化端保护后，在烟气含尘量一定情况下飞灰对单位质量催化剂磨损存在以下关系〔4〕:

式中 mi为飞灰颗粒尺寸间隔i的质量百分数；dp，i为平均颗粒直径；Ia，i为磨损系数 (与矿物组分有关)；vi为飞灰颗粒速度。

由式 (1)可知，磨损量与流速的3次方成正比，流速大的区域磨损速率快，催化剂损坏后局部形成烟气走廊，进而加速附近催化剂的磨损，最终表现为损坏区域的不断扩大。

磨损现象呈现区域性，磨损不严重的部位也会发生强度减弱的情况。因为这些部位在积灰后将承受更大的积灰重力，加上引风机的作用，使得局部催化剂上下压差加大，导致催化剂塌陷。

3)SCR系统吹灰装置故障原因

耙式吹灰器通常采用蒸汽进行射流吹灰，喷出的蒸汽沿着一个直线路线进行来回吹扫。在主管道上交叉开孔，其吹扫范围以沿路轨道为中心，射流所到之处，积灰能较好地去除，不能吹到的地方则出现积灰，SCR反应器四周容易出现死角，因此该区域为积灰严重部位。同时，由于吹灰器积灰堵塞导致吹灰器清灰效率降低，从而会导致吹扫死角处积灰的在线清除效果不够理想。加上该厂耙式吹灰器外部伸缩管部分已出现明显锈蚀现象，表明吹灰器的正常运行已受到一定影响。同时，反应器内部检查发现，吹灰器的孔道中存在积灰，吹灰管支管底部的吹灰喷嘴被堵塞，说明部分未堵塞的喷嘴蒸汽流速及压力加大，使得该喷嘴轨道下方的催化剂破损较为严重。

低频声波吹灰器是利用声波的波动特性使催化剂表面上挂的灰脱离，从而达到清灰目的。由于声波清灰受声波能量的影响较大，声波吹灰器通常安装在SCR反应器靠锅炉侧，其作用面为扇形，一般作用长度约3 m，则与其相对及反应器四周容易出现四角而积灰。当催化剂四角积灰严重时，声波吹灰器的吹灰效果会降低，从而会加剧催化剂表层积灰。

4 结论

1)催化剂表层积灰，局部区域烟气流速过快，催化剂迎风端的硬化层磨损，是导致催化剂损坏的直接原因。

2)随着上层催化剂表面积灰不断增多，催化剂顶端硬化端损坏，催化剂强度减弱，是加剧催化剂损坏的主要原因；并且随着催化剂表面的积灰面积增大，积灰厚度、重量不断增加，加上催化剂两侧烟气压差作用，导致催化剂发生局部塌陷现象。

3)脱硝耙式吹灰器外部伸缩管部分锈蚀，吹灰管支管底部的吹灰喷嘴堵塞，声波吹灰器吹灰性能下降，催化剂层存在吹灰死区。吹灰死区一旦出现积灰，难以迅速清除，导致加速积灰效应，扩大积灰面积。因此，建议停炉时开展人工检查、清灰，适时调整声波吹灰器的运行方式或压缩空气压力，加强耙式吹灰器的维护管理。

〔1〕段传和，夏怀祥.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术 〔M〕.北京:中国电力出版社，2009.

〔2〕马英，顾庆华.烟气脱硝系统积灰成因分析与处理 〔J〕.热力发电，2009(12):61-63.

〔3〕汪洋，胡永锋.燃煤电站SCR脱硝系统预防大颗粒灰堵塞方法 〔J〕.电力科技与环保，2012(04):17-19.

〔4〕Hans J ensen-Holm，Nan-Yu Topsøe，崔建华.选择催化还原(SCR)脱硝技术在中国燃煤锅炉上的应用 〔J〕.热力发电，2007(08):13-19.

Cause analysis and countermeasures of catalyst damage in SCR system of a 600 MW supercritical unit

ZHANG Hong，LI Guo-yong，CHE Yao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Aimed to catalysts failure occurred during the operation of SCR denitrification facility for a certain power plant，according field investigation result，catalysts failure causes are analyzed，and recommendations of avoiding damage are finally provided.

SCR；catalysts；fly ash erosion；ash deposition

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.0013

X511

B

1008-0198(2015)01-0048-03

张鸿(1978)，男，湖南长沙人，大学本科，工程师，主要从事电力行业环境保护工作。

2014-11-11