托克托電廠脫硝催化劑吹損原因分析
本文介紹了內蒙古大唐托克托發電公司鍋爐脫硝運行中催化劑出現的問題，分析催化劑出現問題的原因及防止措施，保證脫硝效率、氨逃逸、SO2/SO3轉化率在合格范圍內，使脫硝催化劑在壽命周期內安全、經濟運行。
內蒙古大唐托克托發電公司600MW機組（#1、#2）鍋爐為亞臨界參數、強制循環、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、全鋼構架懸吊緊身全封閉型汽包爐；#3-#8鍋爐為亞臨界參數、自然循環、前后墻對沖燃燒、尾部雙煙道、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、全鋼構架懸吊緊身全封閉型汽包爐。
根據《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）相關規定，內蒙古大唐托克托發電公司對600MW機組進行低氮燃燒器改造，并安裝煙氣脫硝系統，2014年7月11日托電公司600MW機組已全部完成低氮燃燒器和脫硝系統改造且全部投入生產運行，脫硝各項性能指標較好，煙氣排放完全滿足環保要求。
托電公司煙氣脫硝技術為國內燃煤電廠普遍采用的SCR煙氣脫硝技術，除4號爐催化劑層數按1+2模式布置，初裝1層預留2層外，其它爐均采用催化劑層數按2+1模式布置，初裝2層預留1層。在設計煤種及校核煤種、鍋爐最大連續出力工況（BMCR）、處理100%煙氣量、在布置1層催化劑條件下脫硝效率不小于50%，在布置2層催化劑條件下脫硝效率不小于80%。
脫硝還原劑采用液氨。反應器安裝雙吹掃裝置，即蒸汽吹灰器和聲波吹灰器。脫硝系統催化劑全部為蜂窩式，催化劑是SCR煙氣脫硝系統的核心部件，其性能直接影響整體脫硝效果，且其初期投資約占項目投資的30%-50%，決定著SCR脫硝系統的運行成本。催化劑活性好壞不僅會影響系統的脫硝效率和煙氣NOX的達標排放，而且會造成還原劑NH3的夾帶量的增加，影響下游設備正常運行，引發機組安全事故。本文講述了托克托發電公司脫硝催化劑損壞的原因，制定防止催化劑損壞的措施。
一、存在的問題
自2013年7月檢查發現托電公司三、四期鍋爐（#5-#8鍋爐）SCR脫硝催化劑吹損較為嚴重，其中中間部位較兩側吹損嚴重，A側催化劑吹損較B側嚴重，局部模塊內單體已全部脫落，催化劑防護網已全部吹損，催化劑吹損部位大體沿爐后方向分布，催化劑上方整流格柵局部脫落。
催化劑吹損出現孔洞后造成NH3/NOX摩爾比分布不均勻，氨和煙氣混合較差，計算出理論所需的噴氨量不穩定，最終導致鍋爐出口氮氧化物濃度不易控制，實際用氨量增高，氨逃逸率增大，實際用氨量增高，經濟效果較差。
最主要的是從脫硝反應器逃逸的部分氨與煙氣中的SO3和H2O反應生成硫酸氫氨，與煙氣中的灰塵一起粘附在空預器的換熱元件上，增加了空預器堵塞和腐蝕風險，空預器差壓增大，通煙受阻，影響鍋爐效率。另外氨逃逸過大時對脫硫系統也將造成不良后果。
二、現象
1.供氨量增大，氨逃逸率逐步增大，脫硝出口氮氧化物與脫硫出口氮氧化物偏差較大，通過噴氨蝶閥無法調整平衡脫硝出口NOX含量，脫硝出口實際氮氧化物超標，脫硝效率下降。
2.氨逃逸增大后在脫硝下游生成硫酸氫氨粘附在空預器蓄熱元件表面上，造成換熱元件堵灰，空預器壓差增大，引風機電耗增加。
三、原因分析
1.煙氣飛灰顆粒磨損是催化劑吹損的主要原因，根據催化劑吹損分布規律可看出煙氣流場分布已偏離設計工況。實際運行工況與設計模型存在偏差，導致煙氣流場偏離設計工況，整流格柵、支撐、導流板與催化劑的磨損情況大致對應。做為迎風面的上層催化劑不僅吹損嚴重，其頂端的不銹鋼防護網也基本全部吹損，可見煙氣流速局部過大，煙氣流場偏離設計值是催化劑吹損的直接原因，煙氣流場不均勻的原因與設計、施工、運行調整等方面有關。
2.催化劑機械強度和磨耗率偏低，經檢測催化劑硬化端磨損測試結果為0.2887%/kg，說明催化劑機械性強度較低。
3.脫硝反應器人孔門、測孔、吹灰器、壁板不嚴漏風，長時間漏風使催化劑強度、硬度降低，最終導致催化劑損壞。
4.煙氣溫度低于310℃時，氨氣與煙氣中的三氧化硫反應生成氨鹽，造成催化劑磨損和堵塞，使催化劑活性降低。
5.燃煤灰分中鈣含量較高極易引起結球磨損，從檢測結果上看氧化鈣含量為2.965%，正常應該1%-2%。鈣含量高容易形成灰球，催化劑磨損會較嚴重。
6.事故狀態對催化劑有較大的影響。未完全燃燒的煤粉和油霧在催化劑表面二次燃燒時，過度的熱量會使催化劑遭受物理和化學損壞。鍋爐滅火和甩負荷時，煙氣溫度迅速下降，脫硝系統停運，催化劑中殘余的氨較多，形成硫酸氫銨沉淀，堵塞催化劑微孔，使催化劑活性降低。
爐管四管泄漏時對催化劑損害較大，特別是尾部受熱面泄漏時影響最大，大量的水汽隨煙氣進入催化劑，如在催化劑表面形成水滴，在較短的時間內造成催化劑的壽命損耗，并加快催化劑的堿金屬中毒。
四、預防措施
1.校核脫硝煙氣流場實際分布情況，對流場的校核不要局限于設計階段的數模和物模，需現場測量脫硝出、入口煙速每個催化劑模塊處煙速，在反應器內部懸掛彩旗，觀察彩旗走向，直觀反應出煙氣流場的走向，掌握煙氣流場冷、熱態真實分布情況，為運行調整及脫硝系統整改提供準確依據。加強燃燒調整，消除爐膛出口存在的煙氣殘余旋轉，減少脫硝反應器兩側煙氣量偏差。
降低煙氣中灰塵含量，以減少煙氣中飛灰顆粒對催化劑、噴氨管的沖刷。充分利用停爐機會，修復或更換吹損的煙氣擋板、導流板、整流格柵，煙氣擋板、導流板噴涂防磨材料，力爭使煙氣流場分布趨于均勻。定期沖洗空預器蓄熱元件，減少空預器堵塞，保證脫硝系統兩側煙氣流量平衡。
2.提高催化劑防磨性能，可考慮在催化劑迎風面端部做硬化處理，提高催化劑抗沖刷能力。
3.治理脫硝反應器漏點，定期對壓縮空氣進行疏水，杜絕冷風、水汽漏入反應器。
4.定期化驗入爐煤成分及灰分成分。
5.運行中嚴格根據煙氣參數確定脫硝裝置投退，煙氣溫度在310℃-420℃時方可投入脫硝運行，當煙氣溫度或機組負荷偏低時及時投入煙氣旁路裝置；煙氣溫度升至410℃時，采取加強鍋爐吹灰，降低火焰中心高度，切換磨煤機運行等方法，如煙氣溫度仍在上升，應申請降低機組負荷以保護脫硝催化劑。鍋爐四管泄漏時檢查省煤器灰斗是否有水排出，若煙氣中帶有水汽，申請停爐，停爐后可對催化劑進行吹掃。
五、托克托發電公司目前已采取的措施
1.已實測#1、#7爐脫硝煙氣流場冷、熱態分布情況，選取負荷工況為600MW、450MW、350MW，按網格法測量反應器出、入口截面的煙氣速度、氧量、NOX濃度、煙氣溫度、氨逃逸，重新核實理論設計。
#7爐脫硝反應器入口速度場測點分布圖：
煙氣速度測孔位于第二層催化劑上方約0.5m，A/B兩側反應器外側各布置7個測孔，按照從靠近爐膛到遠離爐膛的順序編號為A1—A7、B1—B7；A/B脫硝反應器外側各布置23個測孔，按照從外到內編號1、2、3。在脫硝系統入口水平煙道位置均勻開孔各11個，安裝試驗管座，用于測量煙道內O2、NOx的分布。溫度測點測點位置同NOx等參數的測點位置。將熱電阻組深入煙道內，每組熱電阻組包含四根熱電阻，分別測煙道內1m深，2m深，3m深，4m深處煙氣的溫度。
600MW工況A側反應器邊側煙氣速度分布（m/s）：
600MW工況B側反應器邊側煙氣速度分布：
測量顯示SCR-A側側面測量截面的平均速度為6.68m/s，SCR-B側側面測量截面的平均速度為5.77m/s，SCR脫硝系統流速分布沿寬度方向從靠近爐膛一側到遠離爐膛一側呈增大趨勢，這與#7爐催化劑吹損情況一致。綜合各典型工況煙氣流速分布情況，制定流場優化方案，現改造備件已到貨，計劃在停爐時實施改造。
2.進行入爐煤及灰分化驗。
3.檢測催化劑化學成分、機械強度、耐磨強度。
4.停爐時檢查導流板、整流格柵磨損情況，消除反應器漏點，定期對空預器進行沖洗，定期分析脫硝系統各項指標，聯系運行專工及時調整脫硝反應器兩側煙氣量，使兩側煙氣流場趨于均勻。
六、結束語
托克托發電公司SCR脫硝系統已運行近3年，在生產現場不斷的檢查、分析、探索，逐步摸索脫硝系統運行調整、設備維護的規律，加強鍋爐燃燒調整，消除煙氣流場存在的偏差因素，嚴格催化劑入廠檢測，是保證鍋爐脫硝催化劑安全運行的根本。找準影響催化劑壽命的關鍵因素并加以改進，才能保證催化劑在使用周期內安全、經濟運行。
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