华电环保系统工程有限公司乌鲁木齐分公司 张小兵
随着电力市场改革的深入推进，燃煤电厂上网电价竞争激烈。某发电有限公司2×330MW 机组在配合电网深度调峰的背景下，通过掺烧准东煤实现发电成本的降低，提高上网的竞争力。但也因为参与深度调峰及掺烧准东煤，造成SCR区域催化剂积灰严重，影响机组的安全稳定运行。
2.1 不同工况下烟气流量均匀性对积灰的影响
现在公用火电厂承担的调峰任务日趋加重，日负荷在40%～100%之间波动。而脱硝系统均按全负荷设计，在SCR 设计及后续超低排放改造过程中，对SCR 烟气入口流场进行数值模拟和物理模拟，根据数模和物模结果对入口烟道导流板进行设计配置。但由于现实工况变化大，原本适用于满负荷工况下的流场在40%负荷时，因为烟气充满度急剧下降而不再适用，导致SCR表面积灰沉积。现有的吹灰手段有限，无法将沉积积灰及时吹散，导致长期运行后，SCR 部分区域催化剂因积灰堵塞失去功能，参与反应的催化剂减少。而流通区域催化剂磨损加剧，催化剂寿命显著降低。
2.2 掺烧准东煤对SCR积灰的影响
由于煤炭市场因素，越来越多的准东煤在新疆燃煤电厂燃烧。准东煤在新疆北部电厂占比约70%，准东煤在南部电厂占比约30%。准东煤矿的煤炭质量具有以下特点。一是整体含水率高，远高于设计烟煤，接近水平褐煤。二是灰中SiO2和Al2O3含量明显偏低，CaO、MgO 和Na2O 含量明显偏高。有较高的碱性化合物，导致灰中的SO3含量明显较高。三是灰中硫、氮含量远低于设计煤。四是准东煤的着火稳定性、燃烧性能和腐蚀性能均强于工程煤。五是由于准东煤灰的钙、钠含量较高，具有污染强的特点，在锅炉水平烟道、尾烟道受热面、SCR 催化剂区等处造成频繁污染和剥落。
3.1 蒸汽吹灰器在运行过程中存在的问题
吹灰系统利用高压高温蒸汽流经无级旋转喷嘴高速喷射，产生较大的冲击力将灰烬吹到受热面上，并随烟气带走，达到用途。
在发电厂中耙式蒸汽吹灰器是一种通常用于SCR 脱硝的蒸汽鼓风机，吹灰的目的是通过用高速蒸汽流冲击反应器表面实现的。但是蒸汽吹灰器的脱硝系统存在很多问题，蒸汽吹灰过程中，烟灰主要靠高速运动的蒸汽与催化剂表面碰撞产生的冲击力去除。高速运动的蒸汽会使催化剂表面严重松动，导致催化剂大量损失，缩短催化剂的使用寿命，最终增加运行成本。
蒸汽吹灰一般采用耙式蒸汽吹灰器，蒸汽强度大，对催化剂表面的浮灰有效，但对蒸汽品质要求较高，需要一定的蒸汽过饱和度，蒸汽吹灰系统的特性要求如下：蒸汽压力0.6～1.0MPa,蒸汽至少要比其在相应压力下的饱和温度高出50～100℃。实际运行中蒸汽吹灰频次较低，大多采用一班一次的运行方式。过分依赖蒸汽吹灰或提高蒸汽吹灰频次，会造成运行成本增加[1]。
同时在SCR 系统中的蜂窝状催化剂内部空隙较多且结构复杂，采用蒸汽吹灰时蒸汽不能进入催化剂内部，存在吹灰死角。随着脱硝运行时间的增加，催化剂表面出现积灰现象，阻碍NOx、NH3、O2到达催化剂活性表面发生作用，导致催化剂钝化，使得实际作用的催化剂外表面减少，造成活性降低，催化剂催化效率降低。
3.2 传统声波吹灰器在运行过程中的存在的问题
目前电厂脱硝系统催化剂吹灰大多采用传统声波吹灰器，例如膜片式声波吹灰器、旋笛式声波吹灰器等。但由于声波吹灰器厂家对积灰特性、声波频率选择、布置方式等认识不足，导致吹灰器应用效果参差不齐。
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声波吹灰技术是通过特定的声学发生器调制，在反硝化反应器区域运行的高压气流产生的强大声波。由于声波的传播和空气分子的高速周期性振荡，使换热器表面或颗粒间的尘粒被破坏，阻止了结合，使表面的尘粒可与催化剂分离并在悬浮烟雾的情况下吸附。声学除灰机理为“扫除”，鼓风机输出能量矢量为“声波”，通过声场与沉积在催化剂表面的灰进行能量交换，从而达到除灰的效果。声波强烈而快速变化的震动将污垢的附着状态与受热面上的污垢分离，造成裂纹和污垢破碎现象。在声波的影响下，污垢从加热表面被剥离并被带出烟囱[2]。
声波吹灰器利用声波排烟，适用性好。然而，声学吹灰器也有一定的局限性。来自声源的声波传播到烟气中，必须有足够的能量才能到达墙壁。由于烟气中灰分和气体颗粒的相对运动，摩擦力的损失导致声能的额外耗散，导致能量衰减，需要实现烟气中的声波衰减尽可能小。声波的频率越高，衰减越快，声波的有效距离越低；
频率越低，衰减速度越慢，声波的有效距离越大。因此，低频声波在烟气中可以传播很远的距离，而高频声波在烟气中衰减很快。但声波频率低，单位时间内被声波拉动和压缩灰粒的次数少，分散粉碎效果弱，不能有足够的力量去除顽固的灰烬。
内置抵近式吹灰法是将声波吹灰器装置布置在烟道内接近积灰处，缩短了声波与积灰的直线距离，声波覆盖比较均匀，达到完全覆盖烟道内的声场。声能场作用于烟囱内换热管的各个角落，使清灰更彻底，避免了催化剂的直接损坏。
内置抵近式声波发生器充分考虑到锅炉烟囱内部的特殊环境，在材料和结构上采用了特殊的设计，具有耐高温和耐磨性。烟道外只有压缩空气管道和电磁阀，因此该设计空间适应性非常好，它可以从烟囱墙上的任何地方插入。
4.1 内置抵近式吹灰器特点
4.1.1 安全可靠，不损坏催化剂
嵌入式高强度声波吹灰技术利用声波原理，依靠高强度声波迫使烟尘进入震动稀释的状态清理灰烬。工作介质将机械能转化为声能为间接吹灰方式，不吹除催化剂，保证催化剂的使用寿命，达到降低运行成本的目的。
4.1.2 炉膛设计，除尘彻底
4.1.3 多种模式
内置声学吹灰技术，声强高，可选蒸汽工质为油烟或压缩空气。使用蒸汽时，可从锅炉底部进风口或原蒸汽鼓风机的蒸汽源取蒸汽，为锅炉发电提供优质蒸汽，与传统吹灰相比节省蒸汽90%以上。
4.1.4 操作维护简单
内置抵近式吹灰器与蒸汽吹灰、声波吹灰相比，整机无须机械，即可大大降低运行维护成本。
4.1.5 清洁生产，节能降耗
锅炉运行过程中，粉尘不会从吹灰孔喷出污染环境，空气不会泄漏到锅炉内影响效率。由于吹灰耗气量小，能够满足实际吹灰频率的要求，能够有效减少排烟热损失，节能降耗效果显著。
本文以某发电有限公司2×330MW 机组为例，该公司为1180t/h 亚临界压力一次中间再热自然循环锅炉电站锅炉，原设计碱沟烟煤，实际燃用准东煤。准东煤高碱、高铁，属严重结焦煤，防治结焦成为锅炉运行的核心问题。
在掺烧准东煤运行过程中，机组要参与电网深度调峰。脱硝催化剂在机组运行过程中会产生玷污和积灰，阻碍NOx、NH3、O2到达催化剂活性表面发生作用，影响供热和供电安全。
5.1 技改方案
在脱硝B侧反应器31m及34m层炉后侧安装内置抵近式吹灰器，每层安装三组吹灰器压缩空气母管，在反应器壁上开DN80 的圆孔，并将吹灰器压缩空气母管与反应器壁板接触面满焊。根据声波传播的特性以及内置抵进式吹灰器的吹灰原理，并考虑不影响烟气的流向以及现场的实际情况，每组吹灰器压缩空气母管上安装7 只内置抵近式吹灰器。在反应器内钢梁上吊装压缩空气联箱母管炉内吊架，标高等同于声波吹灰墙箱内孔标高。压缩空气联箱母管炉外法兰依次安装电磁阀、手动隔离门、金属软连接，金属软连接压缩空气管。
抵近式吹灰器布置示意图如图1所示。
图1 抵近式吹灰器布置示意图
此布置方式可以有效弥补原脱硝区域膜片式声波吹灰器声强衰减导致反应器炉后侧大量积灰的问题，且吹灰器布置可以避免吹灰器吹扫范围不能相互覆盖存在吹扫死角。
此次技改后的脱硝吹灰系统采用自动控制模式，无须人工干预。单台机组共42台声波吹灰器，每次运行一组，每次运行20s。根据脱硝系统在线监控出现的各种工况，可以实时调整设置的循环时间和运行周期，始终保持清灰效果，控制系统压差在合理范围内。
抵近式声波吹灰器喷嘴布置示意图如图2所示。
图2 抵近式声波吹灰器喷嘴布置示意图
5.2 经济效益
2×330 MW 机组共装设催化剂1000m3，烟气流速6.11m/s。若催化剂因积灰堵塞30%，则会造成流通区域催化剂烟气流速增加30%。造成催化剂磨损与烟气流速的平方成正比且使用寿命急剧下降、堵塞区域催化剂失去作用、氨流场分布不均等损失。
失效催化剂：1000×0.3×1.2/4=90 万元。磨损催化剂：1000×0.7×1.2×0.4/4=840万元。每年减少因催化剂失效、磨损产生的费用为174万元。
随着电力改革的深入、电力市场交易日趋成熟，发电市场竞争日趋激烈，节能减排、降本增效是发电企业关注的重点，深度调峰下的燃用准东煤火电厂SCR脱硝系统积灰问题已经严重影响机组的安全稳定运行。利用内置抵近式吹灰器弥补膜片式声波吹灰器的不足，保证催化剂表面洁净增加催化剂与NOx、MH3、O2的接触面积，提高催化剂活性，保证脱硝效率，喷氨量减小，保证烟气通道顺畅，降低引风机电耗。提高催化剂反应活性，保证机组长期安全经济稳定运行。
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