CN107462280A

CN107462280A - 一种scr脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法

Info

Publication number: CN107462280A
Application number: CN201710665154.6A
Authority: CN
Inventors: 雷嗣远; 孔凡海; 王乐乐; 李乐田; 马云龙
Original assignee: Suzhou Xire Energy Saving Environmental Protection Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Xire Energy Saving Environmental Protection Technology Co Ltd
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2017-12-12

Abstract

本发明涉及一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，包括：对反应器内部催化剂的磨损、堵灰情况进行图示、标记并绘制成可视化云图；取样反应器内的催化剂，对催化剂进行机械性能的检测及分析，获得催化剂的检测及分析数据；现场检测脱硝设备，获得脱硝设备实际流场运行情况的数据；通过CFD数值模拟与物理模型试验，建立与催化剂结构、反应器内部结构一致的模型；结合上述可视化云图、数据及模型，获得催化剂磨损与堵灰的原因。通过本发明的诊断方法不仅有利于解决的电厂催化剂运行问题，提高脱硝设备的运行经济性和设备安全性，也是进行诊断SCR催化剂磨损和堵灰问题方法的探索，最终延长催化剂使用寿命，降低脱硝设备运行事故的风险。

Description

一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法

技术领域

本发明涉及SCR脱硝领域，特别是涉及一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法。

背景技术

为达到国家环保排放标准，“十二五”期间国内燃煤电厂基本已全部加装和运行选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction）烟气脱硝设备。随着“超低排放”政策的全面实施，SCR脱硝过程中存在的问题也日益突出，催化剂作为SCR工艺的核心，在脱硝运行中至关重要。目前，发现不少电厂在运行过程中，催化剂存在不同程度的磨损和堵灰问题，造成氨逃逸增大，下游冷端设备阻力增加等现象，严重影响了环保达标、机组运行的安全性和经济性，而在国内也尚未形成系统性针对脱硝催化剂磨损、堵灰的诊断和解决方案。

一般，催化剂磨损多发生在迎风面端部和孔道内部（如图1所示），造成磨损的外部因素包括烟气流速、飞灰粒径及浓度、颗粒撞击角度等，而决定磨损程度的内部因素是催化剂的机械强度，理论上，在烟气条件一定时，对于特定的催化剂，磨损度E计算式为：

E=f（C×v^3.3×d×t）···（1），

其中：v为烟气流速；t为时间；C为灰粒负荷；d为灰粒的平均粒径。

由式（1）式可知：烟气流速v对催化剂磨损起决定性作用，且其为矢量，故速度的方向（烟气入射角）也是重要影响因素。灰粒对催化剂壁面的撞击分为轴向（法线方向）和径向（切线方法），轴向撞击使催化剂产生塑性变形或细微裂纹，径向撞击对催化剂孔壁造成摩擦损失。

此外，“马格努斯效应”是造成催化剂内部通道的磨损主要原因。烟气中颗粒沿孔道行进时，同时也发生自转（如图2、3所示），根据伯努力原理，速度差造成压差，在与颗粒行进方向相垂直的方向上产生一横向作用，使颗粒飞行轨迹发生偏转，撞击催化剂壁面，形成磨损。

催化剂本身造成磨损的成因主要包括催化剂本身机械强度不足、烟气高速吹损以及蒸汽吹灰器吹损，其中：

催化剂本身机械强度不足（低于国家蜂窝式催化剂磨损、抗压强度标准），耐磨性能差。例如催化剂层同一模块2次停炉期间磨损外观描述：第1次停炉检查，该模块中某单元体底部（非迎风面）内壁出现裂纹；第2次停炉检查，该模块已局部坍塌，形成穿孔，也就是说单元体裂纹形成后，逐步扩大，造成单体整体破裂，最终形成整个模块的坍塌穿孔。

烟气高速吹损，由于SCR反应器空塔流速较大、催化剂孔内流速偏高；或因SCR反应器内部流场不均，局部区域烟气流速过高，入射角偏斜，引起催化剂在此区域形成磨损，烟气入射角偏斜，会导致催化剂出现单方向平行壁面的磨损，单向壁面磨损形成后，会加速催化剂单体整体坍塌。另外，催化剂层的大面积灰堵塞也会加速局部区域的催化剂磨损，催化剂表面积灰严重时，烟气绕过积灰区域从四周孔道流过，由于烟气流通面积减小，烟气流速增大，部分扰流烟气倾斜冲刷催化剂顶端，加剧了催化剂磨损。

蒸汽吹灰器吹损，其由蒸汽参数不合适、蒸汽不饱和带水或疏水不彻底所导致，在催化剂迎风面沿蒸汽吹灰器行程方向，位于喷嘴正下方催化剂被吹出凹槽状。

催化剂的磨损使其物理结构遭到破坏，催化剂被磨蚀后，活性物质总量减少，导致脱硝性能下降，缩短使用寿命。催化剂磨蚀严重时会坍塌、穿孔，造成烟气短路，部分烟气不流经催化剂孔道直接进入下一层催化剂或SCR反应器出口，导致局部氨逃逸浓度过高，并会影响NO_x达标排放，加剧空气预热器硫酸氢铵堵塞风险，而一旦SCR反应器内某区域发生坍塌导致烟气短路，则会引起局部区域流速增大，加剧周边单元体磨损。

发明内容

本发明的目的是提供一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，包括：

对反应器内部催化剂的磨损、堵灰情况进行图示、标记并绘制成可视化云图；

取样反应器内的催化剂，对催化剂进行机械性能的检测及分析，获得催化剂的检测及分析数据；

现场检测脱硝设备，获得脱硝设备实际流场运行情况的数据；

通过CFD数值模拟与物理模型试验，建立与催化剂结构、反应器内部结构一致的模型；

结合上述可视化云图、数据及模型，获得催化剂磨损与堵灰的原因。

优选地，所述的催化剂磨损、堵灰情况包括其发生区域，发生形式，严重程度，受损单元体数量及比例。

进一步优选地，使用特定的图示标记所述的发生形式；使用不同深浅的颜色标记所述的严重程度；使用不同的数字标记受损单元体数量、比例。

优选地，催化剂的检测包括催化剂抗压强度、磨损强度、粘附强度、活性的检测；同时还进行煤样、灰分的成分分析。

进一步优选地，在检测催化剂的磨损强度时：建立磨损样品仓和对比样品仓，在连通磨损样品仓和对比样品仓的管道中分别通入同样流速的气流，并对连通磨损样品仓的管道气流中加入磨料，通过公式：ξ_h=[1-W₂/W₁×W₃/W₄]/W×100计算磨损样品、对比样品及磨料的质量，得出催化剂磨损强度ξ_h，该数值反映了催化剂的相对耐磨强度，磨损强度的数值越小表明催化剂的耐磨性越强，

其中：ξ_h（%/kg）为催化剂的磨损强度，W₁（g）为测试样品测试前质量，W2（g）为测试样品测试后质量，W3（g）为对比样品试验前质量，W（g）4为对比样品测试后质量，W（kg）为磨损剂质量。

优选地，所述的脱硝设备的检测包括反应器内部钢梁支撑件，吹灰设备的安装和运行状况，整流格栅位置与间距；导流装置的安装位置，自身尺寸、变形程度，积灰状况。

优选地，通过对不同的催化剂进行取样、检测及分析，建立催化剂机械性能数据库系统。

优选地，根据可视化云图获得造成催化剂磨损和堵灰的原因包括催化剂本身机械强度问题、反应器流场不均。

进一步优选地，当根据催化剂的检测及分析数据排除催化剂磨损和堵灰的原因为催化剂本身机械强度问题时，则催化剂磨损和堵灰的原因为反应器流场不均。

进一步优选地，根据CFD数值模拟建立与反应器内部结构一致的模型，获得反应器流场的优化方法。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

通过本发明的诊断方法不仅有利于解决的电厂催化剂运行问题，提高脱硝设备的运行经济性和设备安全性，也是进行诊断SCR催化剂磨损和堵灰问题方法的探索，最终延长催化剂使用寿命，降低脱硝设备运行事故的风险。

附图说明

附图1为催化剂迎风面的磨损机理图；

附图2为马格努斯效应原理示意图；

附图3为催化剂孔道颗粒运行轨迹图；

附图4为反应器A侧上层催化剂磨损分布图；

附图5为反应器B侧上层催化剂磨损分布图；

附图6为催化剂迎风面磨损图；

附图7为反应器三维模型图；

附图8为首层催化剂上游速度分布图；

附图9为反应器导流装置优化方案图；

附图10为优化后首层催化剂上游速度分布图。

在附图7中：1、SCR入口；2、SCR出口；3、导流板；4、导流板；5、导流板；6、整流格栅；7、催化剂层；

在附图9中：8、导流板；9、导流板；10、导流板；11、斜顶；12、整流格栅。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

本实施例结合某300MW机组SCR催化剂磨损原因分析为例，介绍具体步骤及解决方案。SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，如下：

首先，对反应器内部催化剂的磨损、堵灰情况进行图示、标记并绘制成可视化云图，其中：催化剂磨损、堵灰情况包括其发生区域，发生形式，严重程度，受损单元体数量、比例等，并使用特定的图示标记发生形式；使用不同深浅的颜色标记严重程度；使用不同的数字标记受损单元体数量、比例。

以某300MW机组为例，其于2013年7月运行，SCR反应器采用“2+1”布置方式，初装2层蜂窝式催化剂，自2014年9月停机检查发现催化剂层局部磨损，之后逐年停机检查发现磨损程度有加深趋势，同时磨损面积也逐渐扩大。

通过对A、B两侧反应器上层催化剂模块逐一检查，发现催化剂磨损分布规律：在靠近前墙及后墙区域磨损严重，呈带状分布。对磨损情况进行图示、标记，如图4、5所示，图中颜色越深表示磨损越严重，图中数字含义：4为完全贯穿或磨损达40cm以上；3为磨损在25-40cm；2为磨损在5-25cm；1为磨损在5cm以下。如图4、5所示，A、B两侧反应器催化剂磨损分布呈相似规律。

根据上述分布规律并经检查，在蒸汽吹灰器喷嘴下方无对应磨损凹槽，故首先可排除蒸汽吹灰器吹损，鉴于两侧反应器的导流装置是一致的，可推测两侧流场也是相似的，若能排除催化剂本身机械强度问题，则可断定流场不均是造成磨损的主要原因，通过提高流场的均匀性，即可很大程度上避免催化剂磨损的发生和加剧。

上述通过对反应器内部催化剂的图表化，实现对其的可视化、定量化、规范化，从而为诊断催化剂更换方案提供依据，便于掌握催化剂整体磨损情况和规律。

随后，取样反应器内的催化剂，对催化剂进行机械性能的检测及分析，获得催化剂的检测及分析数据，其中：催化剂的检测包括催化剂抗压强度、磨损强度等的检测；同时进行煤样、灰分等的成分分析。

以磨损强度分析为例，在从反应器内取回的催化剂单元体样品中截取2块试样，作为测试样品和对比样品，分别装入实验台上的磨损样品仓和对比样品仓，在连通磨损样品仓和对比样品仓的两管道中通入同样流速的气流，其中连通磨损样品仓的管道气流中含有一定粒度和浓度的石英砂，而连通对比样仓的管道内则无磨损剂，若干时间后，通过式（2）计算两试样及磨料的质量，得出催化剂磨损强度ξ_h，该数值反映了催化剂的相对耐磨强度，磨损强度的数值越小表明催化剂的耐磨性越强，

ξ_h=[1-W₂/W₁×W₃/W₄]/W×100···（2），

式中：ξ_h（%/kg）为催化剂的磨损强度，W₁（g）为测试样品测试前质量，W2（g）为测试样品测试后质量，W3（g）为对比样品试验前质量，W（g）4为对比样品测试后质量，W（kg）为磨损剂质量。

催化剂磨损强度实验结果如表1所示，由表1可知，催化剂样品非硬化端磨损强度平均值为0.12%/kg，满足国家磨损强度标准要求（小于0.15%/kg）,因此推测催化剂本身强度问题非造成磨损主因，需从反应器流场上进行诊断和优化。

表1：磨损强度检测结果

项目	W ₁/g	W ₂/g	W ₃/g	W ₄/g	W/kg	磨损强度/（%·kg^-1）
							试样1	206.0	200.4	203.5	203.1	19.2	0.13
试样2	209.9	205.5	215.2	215.2	19.1	0.11
							试样3	218.0	213.3	211.2	210.8	18.2	0.11
平均值	-	-	-	-	-	0.12

上述可搜集不同工艺、不同规格催化剂数据，建立催化剂机械强度数据库系统，制定催化剂强度鉴定标准，便于研判催化剂自身性能在磨损和堵灰中的影响权重。

随后，现场检测脱硝设备，获得脱硝设备实际流场运行情况的数据，其中：各数据包括反应器内部钢梁支撑件，吹灰设备的安装和运行状况，整流格栅位置与间距；导流装置的安装位置，脱硝设备自身尺寸、变形程度，积灰情况等，为建立结合实际的三维模型提供数据。

最后，进行CFD数值模拟与物理模型试验，建立与催化剂结构、反应器内部结构一致的模型，对流场存在的缺陷进行消除和优化，降低催化剂出现磨损和堵灰问题的风险。

本实施例按照1:1的比例建立SCR反应器系统模型，始于锅炉省煤器出口，止于空气预热器入口，忽略喷氨格栅及梁柱等细小结构，导流装置根据电厂提供图纸设置，并通过反应器现场实地测量，确保模型中导流装置的尺寸和位置与实际安装情况一致，SCR系统的几何模型如图7所示。

模型建立之后，使用gambit软件进行网格划分，进口边界条件使用速度入口边界，出口边界条件使用压力出口边界，催化剂层使用多孔介质模型进行模拟，并按照实际BMCR工况设置速度、压力、温度、烟气组分等边界条件。

从系统速度迹线图看出，整流格栅位置不合理，导致烟气入射角偏大（最大入射角高达34°），从而造成催化剂单元体壁面单方向冲刷严重，导流板3前的渐阔烟道存在低速区及涡流，导致下游烟气量分布不均；导流板5角度设计不合理，未能均匀分配烟气，大部分烟气经过导流板的导向，集中到前墙附近，形成带状高速区，同时，由于惯性和粘附力作用，另一部分气流沿反应器斜顶行进，导致首层催化剂上游靠后墙区域也出现一条高速带，如图8所示，速度云图中高速区的位置与磨损统计分布图中严重区域基本吻合。综上原因推测，该厂催化剂发生的磨损的主要原因是流场不均、烟气局部流速偏大和入射角偏斜。

通过数值模拟软件进行定量计算，在BMCR工况下，首层催化剂上游0.2m处，速度偏差为24.4%，最大入射角为34°，不满足速度偏差低于15%及入射角小于10°的工程设计要求。

根据上述诊断原因分析可知，流场不均是造成磨损的主因，包括烟气流速不均和入射角偏斜，故流场优化主要考虑消除以上缺陷。经现场测量，原始导流板安装及尺寸与原设计方案相符，无大异动，故直接考虑在原方案上进行优化。

速度优化：（1）在省煤器底部到渐阔烟道前增加一组导流板8，防止烟气进入渐阔烟道后贴壁，造成后部流场不均；（2）在导流板3前渐阔处烟道增加一组导流板9，最大程度消除渐阔段带来的烟气分配不均，使下游低速区得以改善；（3）拆除导流板5，更换为直板导流板10，通过调整角度使其能均匀分配烟气，防止出现高速区；（4）调整斜顶11角度，防止后墙烟气流速过高，如图9所示。

入射角优化：整流栅格是调整烟气入射角的主要装置，通过提升整流格栅12的位置，使其与水平烟道平齐，可有效矫正入射角偏斜。

优化方案实施后，烟气在反应器内分布趋于均匀，如图10所示；渐阔烟道处涡流被消除；首层催化剂上游烟气经过调整导流板c的重新分配，不再趋于集中，从而消除高速区，由于整流格栅的上提，使得烟气在进入首层催化剂前及时转向，入射角减小；使用模拟软件定性计算速度偏差，在BMCR工况下，首层催化剂上游0.2m处，速度偏差为8.7%，入射角最大偏差为8°，满足工程设计要求。

本实施例对于发生催化剂磨损的机组，应先对磨损分布规律进行统计，及时更换破损严重单元体；再进行原因排查，若能排除催化剂本身机械强度不足和吹灰设备设置不当的因素，则可重点从反应器流场入手，进行相应优化和改造，从而指导火电厂SCR装置催化剂安全、高效及经济运行。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：所述的催化剂磨损、堵灰情况包括其发生区域，发生形式，严重程度，受损单元体数量及比例。

3.根据权利要求2所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：使用特定的图示标记所述的发生形式；使用不同深浅的颜色标记所述的严重程度；使用不同的数字标记受损单元体数量、比例。

4.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：催化剂的检测包括催化剂抗压强度、磨损强度、粘附强度、活性的检测；催化剂的分析包括煤样、灰分的成分分析。

5.根据权利要求4所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：在检测催化剂的磨损强度时：建立磨损样品仓和对比样品仓，在连通磨损样品仓和对比样品仓的管道中分别通入同样流速的气流，并对连通磨损样品仓的管道气流中加入磨料，通过公式：ξ_h=[1-W₂/W₁×W₃/W₄]/W×100计算磨损样品、对比样品及磨料的质量，得出催化剂磨损强度ξ_h，该数值反映了催化剂的相对耐磨强度，磨损强度的数值越小表明催化剂的耐磨性越强，

6.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：所述的脱硝设备的检测包括反应器内部钢梁支撑件，吹灰设备的安装和运行状况，整流格栅位置与间距；导流装置的安装位置，自身尺寸、变形程度，积灰状况。

7.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：通过对不同的催化剂进行取样、检测及分析，建立催化剂机械性能数据库系统。

8.根据权利要求1所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：根据可视化云图获得造成催化剂磨损和堵灰的原因包括催化剂本身机械强度问题、反应器流场不均。

9.根据权利要求8所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：当根据催化剂的检测及分析数据排除催化剂磨损和堵灰的原因为催化剂本身机械强度问题时，则催化剂磨损和堵灰的原因为反应器流场不均或蒸汽吹灰参数设置不当。

10.根据权利要求9所述的一种SCR脱硝催化剂磨损与堵灰诊断方法，其特征在于：根据CFD数值模拟建立与反应器内部结构一致的模型，获得反应器流场的优化方法。