燃煤電廠SCR脫硝催化劑性能檢測(cè)與壽命管理

吳國(guó)潮，劉長(zhǎng)東，薛東武，潘美華，趙會(huì)民

(1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江杭州　310007； 2.浙江浙能催化劑技術(shù)有限公司，浙江寧波　315612)

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燃煤電廠SCR脫硝催化劑性能檢測(cè)與壽命管理

吳國(guó)潮1，劉長(zhǎng)東2，薛東武2，潘美華2，趙會(huì)民2

(1.浙江省能源集團(tuán)有限公司，浙江杭州310007； 2.浙江浙能催化劑技術(shù)有限公司，浙江寧波315612)

SCR脫硝催化劑性能檢測(cè)是催化劑壽命管理中的一項(xiàng)核心工作。對(duì)某燃煤電廠SCR脫硝催化劑的外觀、比表面積、晶體結(jié)構(gòu)、脫硝活性、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)15 481小時(shí)運(yùn)行后，催化劑外觀未受到嚴(yán)重?fù)p壞，TiO2載體的晶相結(jié)構(gòu)未發(fā)生轉(zhuǎn)變，比表面積和孔容有所下降。催化劑活性和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率有所下降，預(yù)期催化劑的使用壽命可以達(dá)到27 000小時(shí)。

SCR；性能；催化劑管理；脫硝活性；燃煤電廠

氮氧化物(NOx)作為燃煤電廠排放的主要污染物之一，給環(huán)境和人類健康帶來(lái)了嚴(yán)重的不良影響。選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)由于高效可靠，是當(dāng)前控制煙氣NOx排放的主流工藝技術(shù)[1-5]?！笆濉币詠?lái)，隨著國(guó)家對(duì)火電廠環(huán)保要求的日益提高，針對(duì)電廠NOx排放標(biāo)準(zhǔn)提出了新要求，SCR脫硝技術(shù)在國(guó)內(nèi)燃煤電廠中得到廣泛應(yīng)用。

脫硝系統(tǒng)的關(guān)鍵部件——SCR脫硝催化劑[6]，其性能對(duì)脫硝系統(tǒng)的脫硝效率和氨逃逸率具有關(guān)鍵性影響。隨著SCR脫硝設(shè)備投運(yùn)時(shí)間的增加，由于熱力燒結(jié)、堿(土)金屬中毒、砷中毒、活性組分流失、粉塵堵塞等原因，SCR脫硝催化劑性能會(huì)逐漸降低[7-10]。因此需對(duì)催化劑進(jìn)行有效管理來(lái)確保燃煤電廠脫硝系統(tǒng)安全、持續(xù)、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。性能檢測(cè)是SCR脫硝催化劑壽命管理工作中的核心內(nèi)容，是對(duì)催化劑進(jìn)行管理的依據(jù)。然而煙氣脫硝在國(guó)內(nèi)尚屬新興環(huán)保領(lǐng)域，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，電廠對(duì)催化劑性能評(píng)價(jià)缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)[11-12]。

本文以國(guó)內(nèi)某燃煤電廠600 MW機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)在役催化劑(美國(guó)Cormetech公司產(chǎn)品)為研究對(duì)象，對(duì)催化劑外觀、微觀性能、脫硝活性、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)，并結(jié)合初始活性K0值，預(yù)測(cè)了該催化劑的剩余壽命，以期為SCR脫硝催化劑壽命周期內(nèi)的運(yùn)行管理提供指導(dǎo)。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1SCR催化劑樣品

國(guó)內(nèi)某燃煤電廠裝機(jī)容量為600 MW，脫硝系統(tǒng)包括兩層22孔蜂窩式SCR催化劑，設(shè)計(jì)脫硝效率為80%，氨逃逸小于3 ppm(干基，6% O2)，該系統(tǒng)于2012年11月投入使用。在運(yùn)行15 481小時(shí)后，從SCR反應(yīng)器內(nèi)每層催化劑中各取出一條樣品單元用于性能檢測(cè)。

1.2催化劑活性評(píng)價(jià)

活性K根據(jù)下式計(jì)算：

式中，AV為煙氣的面速度，Nm/h；η為脫硝效率，%。

1.3催化劑的表征

SCR脫硝催化劑樣品的晶體結(jié)構(gòu)在美國(guó)Thermo公司 ARL SCINTAG X′ TRA 型X射線粉末衍射儀上進(jìn)行分析，以Cu靶Kα為輻射源(管電壓管電流分別為45 kV、40 mA)，5°/min的速率進(jìn)行掃描測(cè)試。樣品的比表面積和孔容采用美國(guó)Quantachrome公司NOVA-4000e型物理吸附儀測(cè)試。

2　結(jié)果與討論

2.1催化劑外觀

對(duì)催化劑樣品外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，催化劑樣品的外觀如圖1所示。由圖1可以看出SCR催化劑經(jīng)過(guò)15481小時(shí)運(yùn)行后，外觀基本良好，內(nèi)壁未受到煙氣顯著磨損，孔道結(jié)構(gòu)也未發(fā)生嚴(yán)重破損，說(shuō)明該催化劑具有良好的耐磨性能。此外，中心孔道未發(fā)生堵塞，堵塞主要出現(xiàn)在催化劑邊角上，這是由于取樣筒三角擋板擋住了煙氣流通而造成的。

圖1　SCR脫硝催化劑樣品的外觀圖Fig.1　The appearance of the SCR denitration catalyst samples

2.2XRD結(jié)果

圖2為新鮮催化劑和經(jīng)15 481小時(shí)運(yùn)行后的催化劑樣品的XRD譜圖。由圖2可見，新鮮催化劑與在役催化劑衍射峰位置基本重合，結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)粉末衍射(PDF)卡片可知，為銳鈦礦型TiO2的衍射峰。說(shuō)明催化劑經(jīng)過(guò)15 481小時(shí)運(yùn)行，TiO2載體未發(fā)生晶相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，仍然保持了良好的銳鈦礦晶型。另外XRD圖譜中未出現(xiàn)WO3和V2O5衍射峰，表明WO3和V2O5仍高度分散，未發(fā)生顯著的聚集現(xiàn)象[2,13]。

圖2　SCR脫硝催化劑樣品的XRD圖譜Fig.2　The XRD patterns of the SCR denitration catalyst samples

2.3比表面積

表1為SCR脫硝催化劑樣品的比表面積和孔容。由表1可見，催化劑經(jīng)過(guò)15 481小時(shí)運(yùn)行后比表面積和孔容均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是在運(yùn)行過(guò)程中催化劑發(fā)生一定程度的燒結(jié)團(tuán)聚和煙氣中飛灰堵塞催化劑微孔引起的[4, 14]。

表1SCR脫硝催化劑樣品的比表面積和孔容

Table 1The specific surface area and pore volume of the SCR denitration catalyst samples

催化劑比表面積/(m2/g)孔容/(cm3/g)新鮮催化劑52.40.26在役催化劑46.40.23

2.4催化劑活性K和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

2.4.1浙能催化劑公司中試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

活性K和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率是SCR脫硝催化劑性能中最重要的指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)試脫硝催化劑性能的裝置主要有兩類，一類是小型評(píng)價(jià)裝置，另外一類是全尺寸SCR脫硝催化劑性能檢測(cè)系統(tǒng)即中試系統(tǒng)。兩種SCR脫硝催化劑性能檢測(cè)裝置區(qū)別見表2。同小型評(píng)價(jià)裝置相比，中試系統(tǒng)因能精確模擬電廠的實(shí)際煙氣條件，進(jìn)而更準(zhǔn)確的測(cè)量催化劑性能，因而受到行業(yè)內(nèi)專家的推崇[15]。

浙江浙能催化劑技術(shù)有限公司從美國(guó)Cormetech公司引進(jìn)了具有世界領(lǐng)先水平的檢測(cè)工藝和技術(shù)的中試系統(tǒng)，該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：(1)由于測(cè)試樣品具有完整的尺寸，因此可以模擬電廠真實(shí)的煙氣情況，包括煙氣流量、組成、溫度、氨氮摩爾比等；(2)關(guān)鍵設(shè)備煙氣發(fā)生器采用進(jìn)口，可有效保證煙氣條件穩(wěn)定可靠；(3)反應(yīng)器催化劑床層采用3+1設(shè)計(jì)，最多可以滿足4層催化劑性能的評(píng)價(jià)。

2.4.2結(jié)果與壽命預(yù)測(cè)

該機(jī)組SCR脫硝催運(yùn)行15 481小時(shí)后，取出催化劑測(cè)試樣條并在中試系統(tǒng)中進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，催化劑活性和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率結(jié)果見表3，活性變化趨勢(shì)圖如圖3所示。由表3可以看出催化劑經(jīng)過(guò)15 481小時(shí)運(yùn)行后，活性K和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率都有一定程度的降低，這主要是由于催化劑比表面積降低、飛灰微量元素的毒害、活性組分的流失等造成的[10]。通過(guò)對(duì)該催化劑活性K和初始催化劑活性K0進(jìn)行比較，相對(duì)活性(K/K0)由初始的1.0降低到0.85；SO2/SO3轉(zhuǎn)化率則降低了17.7%。

表2兩種SCR脫硝催化劑性能檢測(cè)裝置區(qū)別

Table 2The difference between two performance testing devices for SCR denitration catalysts

項(xiàng)目小型評(píng)價(jià)裝置中試系統(tǒng)測(cè)試樣品尺寸3×3～5×5孔完整的催化劑煙氣來(lái)源配氣法配氣法或燃燒法測(cè)試條件不完全模擬實(shí)際煙氣完全模擬實(shí)際煙氣

表3SCR脫硝催化劑活性和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率結(jié)果

Table 3The activity and conversion rate of SO2/SO3of the SCR denitration catalysts

催化劑活性K/(Nm/h)SO2/SO3轉(zhuǎn)化率/%新鮮催化劑42.90.62運(yùn)行催化劑36.50.51

圖3　SCR脫硝催化劑的活性變化趨勢(shì)圖Fig.3　The changing trend of activity in the SCR denitration catalysts

在保證80%脫硝率及3 ppm的氨逃逸率基礎(chǔ)上，結(jié)合活性衰減趨勢(shì)可以對(duì)該SCR脫硝催化劑壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)?；诒敬位钚詸z測(cè)結(jié)果，催化劑的使用壽命預(yù)期可以達(dá)到27 000小時(shí)。

3　結(jié)語(yǔ)

本文在國(guó)內(nèi)某燃煤電廠脫硝催化劑性能檢測(cè)的基礎(chǔ)上研究，得出以下結(jié)論：(1)國(guó)內(nèi)某燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)經(jīng)過(guò)15 481小時(shí)運(yùn)行后，催化劑外觀結(jié)構(gòu)未受到顯著損壞，說(shuō)明催化劑具有良好的耐磨性能。(2)催化劑載體TiO2的銳鈦礦型晶相結(jié)構(gòu)未發(fā)生轉(zhuǎn)變，比表面積和孔容有所下降。(3)催化劑活性和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率有所下降，在保證80%脫硝率及3 ppm的氨逃逸率基礎(chǔ)上預(yù)期催化劑的使用壽命可以達(dá)到27 000小時(shí)。隨著SCR脫硝催化劑在國(guó)內(nèi)燃煤電廠的廣泛應(yīng)用，SCR催化劑的管理工作將日益受到重視，本文可為國(guó)內(nèi)燃煤電廠SCR脫硝催化劑壽命周期內(nèi)的運(yùn)行管理提供借鑒。

[1]陳進(jìn)生. 燃煤電廠煙氣脫硝技術(shù)——選擇性催化還原法[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2008.

[2]商雪松, 陳進(jìn)生, 胡恭任. 不同運(yùn)行時(shí)間煙氣脫硝催化劑性能對(duì)比分析[J]. 中國(guó)電力, 2012, 45(1): 45- 49.

[3]沈伯雄, 熊麗仙, 劉亭, 等. 納米負(fù)載型V2O5-WO3/TiO2催化劑堿中毒及再生研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 38(1): 85- 90.

[4]BUSCA G, LIETTI L, RAIMS G,etal. Chemical and mechanistic aspects of the selective catalytic reduction of NOxby ammonia over oxidecatalysts: Areview[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 1998, 18(18): 1- 36.

[5]孟小然, 于艷科, 陳進(jìn)生, 等. 平板式SCR催化劑的性能檢測(cè)[J]. 中國(guó)電力, 2014, 47(12): 144- 148.

[6]張燁, 徐曉亮, 繆明烽. SCR脫硝催化劑失活機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 能源環(huán)境保護(hù), 2011, 25(4): 14- 18.

[7]喻小偉, 周瑜, 劉帥, 等. SCR脫硝催化劑失活原因分析及再生處理[J]. 熱力發(fā)電, 2014, 43(2): 109- 113.

[8]云端, 宋薔, 姚強(qiáng). V2O5-WO3/TiO2SCR催化劑的失活機(jī)理及分析[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2009, 32(1): 91- 96.

[9]Tang F S, Xu B L, Shi H H,etal. The poisoning effect of Na+and Ca2+ions dopedon the V2O5/TiO2catalysts for selective catalytic reduction of NO by NH3[J]. Applied Catalysis B: Environmental, 2010, 94(1-2): 71- 76.

[10]商雪松, 陳進(jìn)生, 趙金平, 等. SCR脫硝催化劑失活及其原因研究[J]. 燃料化學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 39(6): 465- 470.

[11]李德波, 廖永進(jìn), 徐齊勝. SCR脫硝系統(tǒng)催化劑綜合分析管理系統(tǒng)[J]. 中國(guó)電力, 2014, 47(6): 135- 139.

[12]李德波, 廖永進(jìn), 陸繼東, 等. 燃煤電站SCR催化劑更換周期及策略優(yōu)化數(shù)學(xué)模型[J]. 中國(guó)電力, 2013, 46(12): 118- 121.

[13]陳進(jìn)生, 商雪松, 趙金平, 等. 煙氣脫硝催化劑的性能檢測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)電力, 2010, 43(11): 64- 69.

[14]張強(qiáng), 楊世極. 某火電廠SCR脫硝催化劑運(yùn)行狀況與活性測(cè)試[J]. 熱力發(fā)電, 2010, 39(4): 62- 66.

[15]楊恂, 黃銳, 孔凡海, 等. SCR脫硝催化劑活性的測(cè)量和應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 2013, 42(1): 15- 19.

Performance Test and Lifetime Management of SCR Denitration Catalyst in a Coal-Fired Power Plant

WU Guo-chao1, LIU Chang-dong2, XUE Dong-wu2, PAN Mei-hua2, ZHAO Hui-min2

(1. Zhejiang Energy Group, Hangzhou 310007, China; 2. Zhejiang Zheneng Catalyst Technology Co., Ltd., Ningbo 315612, China)

The performance test of SCR denitration catalyst is a core task in catalyst lifetime management. In this paper, the performance of SCR catalysts in a coal-fired power plant was tested from the aspects of appearance, specific surface area, crystal structure, denitration activity, and conversion rate of SO2/SO3. The results indicated that the appearance was not seriously damaged, the crystal structure of TiO2didn’t change, and specific surface area, pore volume, denitration activity and conversion rate of SO2/SO3decreased after 15 481 hours of operation time. The lifetime of SCR catalysts is expected to be up to 27 000 hours.

SCR; performance; catalyst management; denitration activity; coal-fired power plant

2016-07-14

吳國(guó)潮(1956—)，男，浙江紹興人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槟茉垂芾恚珽-mail：wugc@zhenergy.com.cn

10.14068/j.ceia.2016.05.019

X701

A

2095-6444(2016)05-0073-03