淺析燃煤電廠再生催化劑的壽命管理技術(shù)

尹順利 ，盧志飛 ，尤吉義， 劉長(zhǎng)東 ，趙會(huì)民

(1.浙江浙能催化劑技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315612； 2.淮浙煤電有限責(zé)任公司鳳臺(tái)發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131)

0 引言

脫硝催化劑的壽命管理是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，通過(guò)對(duì)電廠設(shè)備的運(yùn)行調(diào)整、氮氧化物(NOx)排放的要求、燃煤煤種的選擇和脫硝系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)等因素進(jìn)行綜合評(píng)估，可優(yōu)化脫硝催化劑的選擇，較大程度地延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，并在保證脫硝效果的前提下實(shí)現(xiàn)良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[1]。失活催化劑的產(chǎn)生是選擇性催化還原法(SCR)脫硝催化劑壽命管理技術(shù)無(wú)法回避的問(wèn)題。再生利用是處置失活催化劑的重要方式，它的使用也存在壽命管理的問(wèn)題。與新催化劑壽命管理技術(shù)不同，催化劑再生前已經(jīng)在復(fù)雜工況下長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行，其運(yùn)行情況、失活原因、再生工藝等因素對(duì)于再生催化劑壽命有重要影響。在國(guó)外，壽命管理理念已充分融入選擇性催化還原技術(shù)[2]，而國(guó)內(nèi)脫硝催化劑壽命管理技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用尚處于初級(jí)探索階段[3]。本文結(jié)合催化劑的失活及其再生應(yīng)用全過(guò)程，重點(diǎn)介紹了再生催化劑壽命管理技術(shù)，為燃煤電廠實(shí)施脫硝催化劑再生提供參考。

1 再生前技術(shù)分析

1.1 運(yùn)行情況評(píng)估

燃煤機(jī)組負(fù)荷浮動(dòng)、煤種變化、燃燒方式調(diào)整、技術(shù)人員水平等都會(huì)影響煙氣參數(shù)，導(dǎo)致SCR脫硝系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)值存在偏差。此外，由于國(guó)內(nèi)SCR脫硝技術(shù)研究及應(yīng)用較落后，在脫硝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、施工和催化劑采購(gòu)過(guò)程中也可能存在技術(shù)偏差。例如，當(dāng)煤質(zhì)與設(shè)計(jì)煤種一致時(shí)，部分機(jī)組仍出現(xiàn)比較嚴(yán)重的失活催化劑堵灰問(wèn)題，這很可能是由于新催化劑在采購(gòu)時(shí)節(jié)距選型失誤所致。催化劑節(jié)距等幾何參數(shù)一經(jīng)確定，將無(wú)法在再生過(guò)程中改變，這就需要電廠選用煤質(zhì)更好的低灰煤并加大吹灰強(qiáng)度，方能降低堵灰對(duì)催化劑的影響，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。因此，若想提高再生催化劑的壽命管理技術(shù)，需要對(duì)催化劑再生前的機(jī)組運(yùn)行狀況，尤其是實(shí)際工況與設(shè)計(jì)值間的偏差，有較為詳細(xì)的了解。

1.2 失活原因分析

SCR脫硝催化劑的失活類型可分為物理失活與化學(xué)失活。常見(jiàn)的物理失活包括破損、磨損和堵孔，常見(jiàn)的化學(xué)失活包括中毒和燒結(jié)。破損、燒結(jié)的催化劑不可再生，而其他類型的催化劑失活則需要檢測(cè)相關(guān)指標(biāo)后才能確定是否可以再生。例如，機(jī)械強(qiáng)度比較弱的催化劑即使外觀完整，但再生后在高塵環(huán)境中可能出現(xiàn)破損甚至坍塌，無(wú)法保證脫硝效果。此外，不同失活類型的催化劑再生工藝也有差別。因此，需要對(duì)失活催化劑進(jìn)行多項(xiàng)性能檢測(cè)(見(jiàn)表1)，以判定失活催化劑是否可再生，并為可再生催化劑的再生工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保證再生后催化劑的活性得到有效恢復(fù)、活性衰減速度與新催化劑相當(dāng)。

表1 失活催化劑檢測(cè)項(xiàng)目

1.3 再生工藝設(shè)計(jì)

由于催化劑的運(yùn)行工況不同，催化劑的失活原因、失活程度也有差別，因此需要設(shè)計(jì)針對(duì)性的再生工藝，以最大程度清除催化劑中的有毒有害物質(zhì)。尤其在機(jī)組運(yùn)行情況評(píng)估中，發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在擴(kuò)容、超低排放改造、深度調(diào)峰等重大調(diào)整時(shí)，脫硝系統(tǒng)運(yùn)行工況會(huì)隨之發(fā)生較大變化，僅將催化劑活性恢復(fù)至新催化劑水平并不能滿足運(yùn)行需求。此時(shí)，需要對(duì)催化劑進(jìn)行拓寬溫度窗口、抗中毒等改性再生，從而使其在運(yùn)行工況變化時(shí)仍能達(dá)到脫硝性能最優(yōu)化。

2 再生生產(chǎn)工藝控制

2.1 保證機(jī)械強(qiáng)度

為保證再生過(guò)程中催化劑的機(jī)械強(qiáng)度，采用近中性清洗液對(duì)催化劑進(jìn)行清洗，并在保證清洗效果前提下盡可能縮短清洗時(shí)間，減少洗液、鼓泡、超聲等對(duì)催化劑基體機(jī)械強(qiáng)度的影響。此外，催化劑進(jìn)行熱處理時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制失水速率，防止因水分揮發(fā)過(guò)快等原因產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致的催化劑微觀結(jié)構(gòu)的破壞，甚至出現(xiàn)宏觀裂紋。

催化劑的磨損多出現(xiàn)在迎風(fēng)面，對(duì)迎風(fēng)側(cè)進(jìn)行端部硬化處理是提高催化劑抗磨損能力的重要手段，端部硬化液的選擇也十分重要。但只含硬化助劑的端部硬化液，雖然可增強(qiáng)催化劑的抗磨損能力，但會(huì)使經(jīng)硬化處理的催化劑損失脫硝活性[4]。因此，需要采用具活性的端部硬化液，在提高催化劑抗磨損能力的同時(shí)保證其脫硝性能不受影響。

2.2 控制活性衰減速率

再生過(guò)程中，應(yīng)將催化劑中有毒有害物質(zhì)含量作為重要的質(zhì)量控制指標(biāo)。有毒有害物種在再生催化劑殘留過(guò)多，會(huì)遷移并導(dǎo)致催化劑快速失活。為了有效抑制這一問(wèn)題，需要根據(jù)有毒有害物質(zhì)的物化特性，設(shè)計(jì)形成多重的清洗再生方式，使其在再生催化劑中的含量降低至新催化劑的水平。

此外，還需要根據(jù)活性組分的熱分解性質(zhì)，確定合理的再生催化劑煅燒溫度。合理控制煅燒溫度可調(diào)整活性組分前驅(qū)體的分解程度，及其在催化劑中的微觀形態(tài)，使活性組分處于高活性狀態(tài)并均勻分散在催化劑表面及微孔結(jié)構(gòu)中。高活性且均勻分散的活性物種可有效延緩催化劑的活性衰減速率。

3 再生催化劑運(yùn)行管理

3.1 噴氨控制

噴氨量對(duì)于脫硝效果有直接影響：氨氮摩爾比過(guò)低則NOx脫除效率不能滿足要求，氨氮摩爾比過(guò)高則造成氨逃逸超標(biāo)和硫酸氫銨的沉積。影響氨氮摩爾比的因素主要有氨氣噴入量、流場(chǎng)分布等。所以，脫硝系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)人員應(yīng)將每周的噴氨量進(jìn)行記錄對(duì)比，防止噴氨過(guò)量或噴氨不足等問(wèn)題的出現(xiàn)；同時(shí)對(duì)流場(chǎng)分布進(jìn)行評(píng)估，使氨氣與煙氣均勻混合，從而避免局部氨氮摩爾比與設(shè)計(jì)值偏差過(guò)大。

3.2 溫度控制

為保障脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，催化劑廠家一般都設(shè)定了最低噴氨溫度和限制噴氨溫度。當(dāng)煙氣溫度低于最低噴氨溫度時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止噴氨，脫硝系統(tǒng)退出運(yùn)行；當(dāng)煙氣溫度低于限制噴氨溫度時(shí)，應(yīng)盡量縮短低溫運(yùn)行時(shí)間(一般小于10 h)，并及時(shí)拉高負(fù)荷，使煙氣溫度升高至300 ℃以上，使高溫運(yùn)行與低溫運(yùn)行的時(shí)間相同，促進(jìn)硫酸氫氨的高溫分解。綜上，應(yīng)注意觀察煙氣溫度變化情況，以及時(shí)調(diào)整脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 積灰控制

我國(guó)脫硝反應(yīng)器主要采用高灰布置方式，煙氣中的粉煤灰容易沉積在催化劑防塵網(wǎng)及孔道中，如果不及時(shí)清除，會(huì)導(dǎo)致催化劑堵塞，影響脫硝效果。為了控制積灰，首先在產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制蜂窩式再生催化劑的通孔率，每個(gè)模塊的通孔率應(yīng)保持在98%以上。其次利用脫硝系統(tǒng)各催化劑層配置的吹灰裝置對(duì)積灰進(jìn)行清除。常見(jiàn)的吹灰裝置為蒸汽吹灰和聲波吹灰。其中，蒸汽吹灰器為間歇式運(yùn)行，要設(shè)定合理的清灰運(yùn)行流程；聲波吹灰器為連續(xù)運(yùn)行，操作則較為方便，但需要加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。最后，需加強(qiáng)對(duì)脫硝催化劑層、空預(yù)器差壓的監(jiān)視，當(dāng)其壓力升高時(shí)，應(yīng)加大吹灰力度，強(qiáng)化吹灰效果。

4 停機(jī)檢測(cè)

4.1 催化劑性能評(píng)估

由于實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜多變，再生催化劑活性衰減速率可能與設(shè)計(jì)曲線出現(xiàn)偏差，因此至少每年每層須取1根抽樣單元進(jìn)行性能檢測(cè)。以檢測(cè)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)催化劑壽命進(jìn)行評(píng)估，并制定合理的催化劑運(yùn)行、更換方案。本文采用浙江浙能催化劑技術(shù)有限公司引進(jìn)的美國(guó)康美泰克公司的先進(jìn)檢測(cè)平臺(tái)，并率先以企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式在浙江省能源集團(tuán)實(shí)施催化劑壽命管理理念的規(guī)范化。

4.2 催化劑破損統(tǒng)計(jì)

脫硝催化劑的機(jī)械壽命一般按照10年設(shè)計(jì)。但其失效受煙氣條件影響較大，且多具有不可逆性。與新催化劑相比，再生催化劑已運(yùn)行了1～2個(gè)化學(xué)壽命周期，機(jī)械強(qiáng)度有所降低，更容易出現(xiàn)破損。停機(jī)時(shí)，應(yīng)及時(shí)統(tǒng)計(jì)催化劑破損情況并安排更換，保證NOx達(dá)標(biāo)排放；同時(shí)要分析催化劑破損原因，以便優(yōu)化運(yùn)行方式來(lái)延長(zhǎng)催化劑使用壽命。

4.3 脫硝系統(tǒng)設(shè)備整體檢查

脫硝工藝系統(tǒng)包括供氨系統(tǒng)和反應(yīng)器系統(tǒng)，其中反應(yīng)器系統(tǒng)對(duì)于脫硝系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。在停機(jī)檢修期間，需要對(duì)反應(yīng)器各設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，保證噴氨量可控、流場(chǎng)分布均勻、積灰清理及時(shí)等，具體檢修設(shè)備及項(xiàng)目見(jiàn)表2。

表2 脫硝反應(yīng)器關(guān)鍵部件停機(jī)檢修項(xiàng)目

5 結(jié)論

再生催化劑壽命管理技術(shù)的研究及工業(yè)應(yīng)用對(duì)于燃煤電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行及降低脫硝成本具有重要意義，但在國(guó)內(nèi)還未引起足夠的重視。本文結(jié)合催化劑的失活及其再生應(yīng)用全過(guò)程，重點(diǎn)介紹了再生催化劑壽命管理技術(shù)，為燃煤電廠實(shí)施脫硝催化劑再生及再生催化劑的應(yīng)用提供參考。

(1)再生前需要對(duì)失活催化劑性能、機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行綜合評(píng)估，為機(jī)組及脫硝系統(tǒng)運(yùn)行方式優(yōu)化、再生工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(2)再生生產(chǎn)中，應(yīng)采取溫和、高效的再生方法，在清除有毒有害物質(zhì)、恢復(fù)催化劑活性的同時(shí)，保證催化劑機(jī)械強(qiáng)度不明顯降低，并降低催化劑的活性衰減速率。

(3)再生催化劑運(yùn)行管理期間，需要嚴(yán)格控制氨氮摩爾比、煙氣溫度、積灰情況等，保障脫硝系統(tǒng)的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

(4)每年需對(duì)催化劑進(jìn)行停機(jī)抽樣檢測(cè)，對(duì)催化劑性能和破損情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，優(yōu)化脫硝運(yùn)行管理技術(shù)水平，保障機(jī)組NOx達(dá)標(biāo)排放。