引言为了实现燃煤烟气污染物超低排放，我国大中型燃煤机组广泛采用工艺成熟、效率较高的选择性催化还原(SCR)脱硝技术。基于目前普遍使用的SCR催化剂反应活性温度要求，燃煤机组SCR均布置于除尘器前，SCR在高浓度飞灰区域工作。烟气中的高浓度飞灰导致SCR催化剂磨损、堵塞和中毒，极大降低了SCR的脱硝效率，缩短了催化剂使用寿命，增加了SCR和空气预热器阻力，对机组安全经济运行产生不利影响[1-2]。截至2021年底，我国煤电装机总容量为11.1亿kW，2060年实现碳中和目标后，仍需保持3亿~4亿kW的煤电装机量[3]。因此，在超低排放要求下，研究和解决飞灰对SCR的不利影响具有重要意义。针对高浓度飞灰影响SCR催化剂的问题，目前已采取一些应对措施，主要在SCR前除去粗粒飞灰和优化烟气流场[2,4-5]，在一定程度上减缓了粗粒飞灰对催化剂的堵塞和磨损影响，但未能解决催化剂的中毒、更大量微粒飞灰的堵塞和磨损及机组深度调峰现象。在国家重点研发计划支持下，开发金属膜滤料及高温除尘器，并应用至410 t/h燃煤锅炉，探究其对催化剂的保护效果。1飞灰对SCR催化剂的影响和飞灰预防措施分析1.1飞灰对SCR催化剂的影响飞灰会影响SCR脱硝效率、催化剂寿命和空气预热器运行阻力，国内外对此进行了广泛研究[6-7]。堵塞、磨损以及中毒现象均会影响催化剂的活性，降低SCR脱硝效率。堵塞和磨损还会导致催化剂机械强度降低，缩短使用寿命。飞灰对SCR催化剂的影响如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.T001表1飞灰对SCR催化剂的影响状况微粒飞灰粗粒飞灰催化剂端面催化剂孔道催化剂端面催化剂孔道堵塞在层流状态下沉积在催化剂端面，逐渐积累搭桥导致堵塞。在低速下沉积于孔壁，或因有黏性附着于孔壁导致堵塞。大于催化剂孔径的粗粒飞灰直接卡死在孔道入口，导致堵塞。—磨损入口不均匀流场中局部高速微粒飞灰以切削作用导致催化剂端面磨损。在高速下以切削力剥离孔壁导致催化剂孔道磨损。粗粒飞灰具有更大的动能，以冲击作用导致催化剂端面磨损。—中毒—覆盖催化剂，隔离NH3和NOx在活性位上的反应，导致催化剂物理中毒。飞灰中的碱和碱土金属中和催化剂活性酸性，导致化学中毒。——1.2飞灰预防措施及其局限分析为了防止飞灰对SCR催化剂产生的严重磨损、堵塞和中毒，目前在实践中已经采取了多种预防措施[4-5,8-10]。飞灰预防措施从本质上可以分成三类，分别为流场优化、动力学分离和滤网拦截。（1）流场优化。流场优化的本质是提高进入第一层催化剂时烟气速度和飞灰浓度的均匀性，以防止局部过高速度导致催化剂的磨损，过低速度导致飞灰沉积。设计SCR装置时，通过模拟优化以确定最优的烟气导流装置和最优的烟气氨气混合装置，保证第一层催化剂入口烟气速度分布相对标准偏差≤15%。我国煤质特性随产地不同差别很大，难以保证燃用设计或校核煤种。高浓度飞灰导致导流板和整流栅格等积灰，烟气流场将发生显著变化。某600 MW燃煤机组SCR设计时，上述偏差仅为6.8%[2]，燃用高灰分煤种后，在催化剂入口端面靠近锅炉后侧和反应器外侧产生高速区，催化剂磨损严重，其他低速区飞灰沉积和催化剂堵塞严重。此外，我国可再生能源发电快速推进，参与调峰的机组越来越多、调峰程度越来越高。某330 MW机组BMCR、75%MCR和50%MCR工况的模拟分析表明，随着负荷变化，飞灰的集中区域将发生变化，影响催化剂入口飞灰浓度场的均匀性[11]。（2）动力学分离。动力学分离的本质是利用飞灰相对于烟气的惯性差异，将飞灰从烟气中分离。动力学分离的实施措施包括在省煤器灰斗上方加装挡板，使更多烟气流经灰斗，更多飞灰在灰斗中分离；对省煤器灰斗扩容和加大烟道截面积，降低烟气流速以利于飞灰重力沉降；在SCR上游垂直烟道底部增设灰斗并在顶部加装挡板等[4-5,10]。上述措施只能分离粗粒飞灰。通过实验室测定某330 MW机组灰斗发现，粒径大于90 μm颗粒物的分离效率约为80%，50~90 μm颗粒物的分离效率不到10%[10]。（3）滤网拦截。在SCR前加装滤网、拦截进入SCR的飞灰是防止催化剂磨损、堵塞和中毒的直接措施。滤网通常由敷有耐磨涂层的不锈钢板冲孔组成，结构分为平板式和屋脊式[4]，不同角度屋脊会产生不同的流动阻力[12]。滤网位于SCR前的高温和高速区，为了保证滤网结构强度和降低压损，滤网的孔径不能太小，工程应用上均为毫米级[4,8]，仅能拦截粗粒飞灰。2高温除尘方法现有燃煤机组SCR前飞灰防治措施只能除去部分粗粒飞灰，在一定程度上减轻催化剂的磨损和堵塞，对直接导致催化剂活性失效和降低脱硝效率的微粒飞灰无效。据对实际电厂催化剂表面沉积的飞灰分析[13]，飞灰粒径均小于5 μm。同时，飞灰防治效果受煤质和负荷变化的影响较大，实际运行中效果大打折扣。袋式除尘方式不受煤质和负荷变化的影响，可以高效除去微粒飞灰。但是目前袋式除尘滤料多为P84、PTFE、Nomex等，不适用于SCR前的高温区。在国家重点研发计划支持下，开发了金属膜滤料，以适应SCR前布置的高温要求。2.1金属膜滤料金属膜滤料是由过滤要求决定的多种金属粉末基于柯肯达尔（Kirkendall）效应，通过粉末冶金工艺在真空电炉内烧结生成的金属多孔膜材料。金属膜滤料和针织滤料的关键区别是孔隙由金属粉末在高温烧结时产生的偏扩散效应生成。膜孔隙微观结构照片如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.F001图1膜孔隙微观结构照片膜孔径与金属粉末粒径呈正相关，且孔径具有较好的一致性。膜孔径与金属粉末粒径关系如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.F002图2膜孔径与金属粉末粒径关系利用膜孔径与金属粉末粒径之间的关系，根据需要过滤的飞灰粒径分布与过滤要求，选择最佳粒径的金属粉末制作膜材料，在满足过滤要求时保证较低的过滤阻力。烧结反应过程中，金属粉末间通过共价键形成共价键和金属键共存的混键结构，具有更高耐温能力。火花试验的金属膜滤料未被火花烧穿，验证了金属膜滤料具有更高耐温能力。耐高温试验中，将金属膜滤料裁剪成样品，置于加热电炉内，升温至450 ℃，保温168 h，取出样品检查，结果未见异常。2.2金属膜高温除尘器金属膜高温除尘器的滤袋由金属膜滤料制作而成，其结构型式和使用方法与针织滤料除尘器相同。除尘器阻力是否能够趋于稳定是影响除尘器运行的关键。对金属膜高温除尘器进行了阻力特性试验，试验气体为空气，试验粉尘为3 000目滑石粉。阻力特性试验参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.T002表2阻力特性试验参数参数数值入口温度/℃450含尘浓度/(g/m3)20过滤风速/(m/min)2反吹压力/MPa0.5反吹周期/min30脉冲宽度/ms200对金属膜高温除尘器进行168 h反吹试验，反吹前后除尘器阻力变化如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.F003图3反吹前后除尘器阻力变化由图3可知，开始时反吹前后阻力均缓慢上升，最后趋于平稳保持稳定；反吹前后阻力差值基本一致，表明反吹效果较好。3金属膜高温除尘器在410 t/h燃煤锅炉SCR前的应用金属膜高温除尘器效率不受煤质和机组负荷变化影响，且具有耐高温性能。因此，可布置在SCR前以防止催化剂的磨损、堵塞和中毒。对某410 t/h燃煤锅炉的超低排放系统进行改造，验证和分析高温除尘器对SCR催化剂保护的有效性。3.1工艺流程改造后超低排放工艺流程如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.F004图4改造后超低排放工艺流程改造后的空气预热器和脱硫塔利用原有设备，除尘器主要参数如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.T003表3除尘器主要参数参数名称数值滤袋规格/mmΦ130×5 000滤袋数量/支6 144设计气量/(m3/h)27×104灰斗数量/个6设计风速/(m/min)1.02工作温度/℃≤450设计阻力/Pa1 500除尘器和SCR在结构上采取了一箱化形式，除尘滤袋和催化剂元件共用一个箱体。由于SCR前置了除尘器，因此采用了25×25孔的更小孔径催化剂，催化剂和SCR主要参数如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.T004表4催化剂和SCR主要参数参数名称数值催化剂元件截面/(mm×mm)150×150催化剂元件高度/mm1 050催化剂元件孔数25×25SCR催化剂层数2层催化剂模块数/(块/层)10模块催化剂元件数/(个/块)72SCR比表面积/(m2/m3)567单层催化剂阻力/Pa280注：SCR不设吹灰装置。3.2运行结果与讨论改造完成经试运行达到稳定状态后，由具有相应资质第三方进行检测，系统运行检测主要参数如表5所示。运行近9个月后，对SCR催化剂进行检查，催化剂入口端状况如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.T005表5系统运行检测主要参数参数名称数值除尘器入口飞灰浓度/(mg/m3)19 527除尘器出口飞灰浓度/(mg/m3)6除尘器阻力/Pa500SCR氨逃逸/(mg/m3)1.72SCR阻力/Pa310脱硫塔出口飞灰浓度/(mg/m3)2.4脱硫塔出口SO2浓度/(mg/m3)8.0脱硫塔出口NOx浓度/Pa22.0注：阻力来自运行报表，其余来自第三方检测，执行HJ/T 397—2007、GB/T 16157—1996标准。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.F005图5SCR催化剂入口端状况由表5和图5可知，经高温除尘后进入SCR的飞灰浓度极大降低；催化剂入口端面平整，未产生飞灰磨损，即使未设置吹灰装置，催化剂端面也很洁净，未见飞灰沉积，与催化剂磨损与飞灰质量浓度成正比的实验室和模拟分析结论一致[14]。SCR阻力为310 Pa，远小于按常规飞灰浓度设计的双层阻力560 Pa，表明即使采用更小孔径催化剂，催化剂通道也未发生堵塞。催化剂未发生磨损、积灰和堵塞，因此不会出现酸性点位失活的中毒情况。同时，由于喷氨布置在除尘器前，使氨气和烟气具有更大的空间和更多的时间进行充分混合，进入催化剂时更加均匀。两个因素使SCR保持更高的脱硝效率，在实际运行时无须过量喷氨。因此，SCR出口的氨逃逸降低至1.72 mg/m3。某电厂运行实测显示[15]，各层催化剂对SO2向SO3的转化率如图6所示。SO2向SO3的转化率沿烟气流程呈现加速趋势。2层催化剂SCR使SO2向SO3的转化率仅为3层催化剂SCR的37%。氨逃逸和SO3降低，减少了硫酸氢铵的生成，飞灰浓度的极大降低减轻了空预器的堵塞，原有空预器阻力也由1 030 Pa降至730 Pa。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.013.F006图6各层催化剂对SO2向SO3的转化率4结语由金属膜滤料构成的除尘器具有稳定的耐高温能力，且除尘效率不受燃用煤种和负荷变化的影响。因此，金属膜滤料布置在燃煤锅炉SCR前能够极大减少进入SCR的飞灰浓度，有效防止飞灰对催化剂的磨损、堵塞和中毒现象，保证脱硝效率，延长催化剂使用寿命；进一步降低了SCR和空预器的运行阻力，在满足燃煤烟气排放要求和机组稳定运行的同时，降低了超低排放系统能耗和运行成本，带来一定的经济效益。