某火電廠SCR催化劑不同服役階段脫硝性能試驗(yàn)及研究

劉智湘 肖芝 聶輝文

摘 要：【目的】某1 000 WM燃煤火力發(fā)電廠SCR脫硝系統(tǒng)采用蜂窩狀催化劑。為把握隨著催化劑服役時(shí)間增加相關(guān)脫硝性能參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)脫硝系統(tǒng)多次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?！痉椒ā吭囼?yàn)采用專業(yè)儀器設(shè)備對(duì)脫硝系統(tǒng)煙氣流速、脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析。【結(jié)果】隨著催化劑服役時(shí)間的增加，脫硝效率會(huì)明顯降低，氨逃逸率有一定程度的增大，空氣預(yù)熱器處會(huì)生成硫酸氫銨等有害物質(zhì)，造成堵塞?！窘Y(jié)論】隨著服役時(shí)間的增加，催化劑會(huì)因?yàn)轱w灰沖刷、堆積及重金屬中毒等導(dǎo)致活性下降，催化劑局部區(qū)域積灰較多，空氣預(yù)熱器堵塞情況嚴(yán)重，需要及時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行更新或者再生處理，提高催化劑活性，保證脫硝系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝系統(tǒng)；脫硝效率；催化劑活性

中圖分類號(hào)：X773 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0091-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.018

Test and Study on Denitration Performance of SCR Catalyst at Different Service Stages in a Thermal Power Plant

LIU Zhixiang XIAO Zhi NIE Huiwen

（Hunan Chemical Vocational Technology College， Zhuzhou 412000， China）

Abstract： [Purposes] The SCR denitration system of a 1 000 WM coal-fired power plant uses honeycomb catalyst. To grasp the change rule of relevant denitration performance parameters with the increase of catalyst service time， field tests on denitration system was conducted for many times. [Methods] The test uses professional instruments and equipment to measure and analyze the performance parameters of the denitration system， such as flue gas flow rate， denitration efficiency， ammonia escape rate， SO2 /SO3 conversion rate， etc. [Findings] It can be seen that with the increase of catalyst service time， denitration efficiency will be significantly reduced， ammonia escape rate will be increased to a certain extent， and harmful substances such as ammonium bisulfate will be generated at the air preheater to cause blockage. [Conclusions] With the increase of service time， the activity of the catalyst will be reduced due to the scouring and accumulation of fly ash， heavy metal poisoning and other reasons. There are many ash deposits in local areas of the catalyst， and the blockage of the air preheater is serious. It is necessary to update or regenerate the catalyst in time to improve the catalyst activity and ensure the safe and economical operation of the denitration system.

Keywords： SCR denitration system; denitration efficiency; catalyst activity

0 引言

氮氧化物（NOx）是重要的大氣污染物之一，也是造成光化學(xué)煙霧、霧霾等現(xiàn)象的主要原因。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，煤炭的消費(fèi)占到能源消費(fèi)總量的70%以上［1］，其中火力發(fā)電廠的燃煤消費(fèi)占煤炭消耗量的50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年底，工業(yè)源氮氧化物排放量為645.90萬(wàn)t，僅電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)的排放量就高達(dá)169.24萬(wàn)t，占工業(yè)氮氧化物排放量的26.20%［2］。同比其他國(guó)家和地區(qū)，我國(guó)NO排放總量較大，其中電廠的排放量占到NOx排放總量的43%。由此看來(lái)，控制好燃煤火電廠NOx排放量是減少NOx污染的關(guān)鍵。

選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)是指在催化劑和氧氣存在的條件下，在一定的溫度范圍內(nèi)（一般為300～420 ℃），NH3作為還原劑選擇性地將煙氣中的NOx還原成對(duì)環(huán)境無(wú)害的N2和H2O的技術(shù)。日本電站鍋爐首先對(duì)該技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，后續(xù)隨著該技術(shù)的逐步成熟及高效的NOx脫除率（高達(dá)95%），SCR技術(shù)廣泛應(yīng)用于全世界，SCR技術(shù)在我國(guó)火電廠燃煤機(jī)組上應(yīng)用最為廣泛，已成為目前燃煤電廠選擇的最主要的脫硝技術(shù)手段［3］。

催化劑被認(rèn)為是SCR脫硝系統(tǒng)的核心裝置，其前期投資占整個(gè)SCR系統(tǒng)的30%～50%左右，且催化劑運(yùn)行3～5年后需要更換、再生等處理，耗費(fèi)成本高。催化劑在使用一段時(shí)間后，活性會(huì)下降，從而影響NOx的脫除效率和氨逃逸的增加等，因此對(duì)催化劑活性情況的及時(shí)把握顯得尤為重要［4］。

本研究以某1 000 MW火電廠2#燃煤機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)蜂窩式催化劑為研究對(duì)象，在該催化劑服役0.5年、2年、5年后分別進(jìn)行脫硝性能試驗(yàn)，研究相關(guān)性能參數(shù)變化規(guī)律，分析催化劑性能下降的原因，對(duì)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行提出參考性建議，并為催化劑后續(xù)的更換再生管理提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

脫硝性能試驗(yàn)主要是對(duì)電廠安裝運(yùn)行SCR脫硝系統(tǒng)一段時(shí)間后，通過(guò)專業(yè)測(cè)試儀器對(duì)SCR系統(tǒng)進(jìn)出口處煙氣溫度、流速分布、煙氣量、脫硝率、氨逃逸、SO2 /SO3轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)阻力等脫硝性能參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)通過(guò)專業(yè)試驗(yàn)長(zhǎng)槍插入取樣口，運(yùn)用網(wǎng)格法對(duì)相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，省煤器出口處作為SCR脫硝系統(tǒng)的入口測(cè)量點(diǎn)，空氣預(yù)熱器進(jìn)口處為SCR脫硝系統(tǒng)的出口測(cè)量點(diǎn)，具體如圖1所示。反應(yīng)器有A和B兩側(cè)，每一側(cè)入口和出口處各有9個(gè)均勻分布的測(cè)量孔，每個(gè)孔內(nèi)有2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度相差1.5 m左右。反應(yīng)器測(cè)點(diǎn)示意如圖2和圖3所示，測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格布置如圖4和圖5所示。

NOx的測(cè)量?jī)x器通常為紅外NOx分析儀，O2的測(cè)量?jī)x器通常為順磁氧量計(jì)。通過(guò)對(duì)NOx和O2的同時(shí)測(cè)量，將NOx的數(shù)據(jù)換算為6% O2基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，并按以下內(nèi)容對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

反應(yīng)器入口NOx平均值表示為式（1）。

[x=1ni=1nxi] （1）

式中：[x]為NOx平均值；xi為某一測(cè)點(diǎn)值；n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。

反應(yīng)器出口NOx標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算分別見(jiàn)式（2）和式（3）。

[σn-1=1n-1i=1nxi-x2] （2）

[νk=σn-1x×100%] （3）

式中：[σn-1]為NOx的標(biāo)準(zhǔn)偏差；[νk]為NOx的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

SCR反應(yīng)器脫硝效率計(jì)算見(jiàn)式（4）。

[η=NOx入口平均-NOx出口平均NOx入口平均×100%] （4）

SO2 /SO3轉(zhuǎn)化率通過(guò)測(cè)量SCR反應(yīng)器進(jìn)口的SO2、SO3和出口的SO3得到，SO2 /SO3轉(zhuǎn)化率的計(jì)算公式見(jiàn)式（5）。

SO2 /SO3轉(zhuǎn)化率=

[SO3出口平均-SO3進(jìn)口平均SO2進(jìn)口平均] （5）

此外，對(duì)于NH3的測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)采用專門設(shè)備取樣品送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，掌握氨的逃逸情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)對(duì)象為廣東省某1 000 MW燃煤火電廠，在SCR脫硝系統(tǒng)蜂窩式催化劑不同服役時(shí)間后分別進(jìn)行脫硝性能試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比，分析關(guān)鍵性能參數(shù)的變化規(guī)律。試驗(yàn)條件基本概況見(jiàn)表1。

2.1 入口煙氣溫度分布

反應(yīng)器進(jìn)口煙氣分布見(jiàn)表2。從表2對(duì)反應(yīng)器入口溫度的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)看，整體溫度場(chǎng)分布比較均勻，最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.6，標(biāo)準(zhǔn)偏差基本都在4 ℃范圍內(nèi)。此外，入口溫度場(chǎng)最大溫度值為372.2 ℃，最小溫度值為348.3 ℃，且每一次試驗(yàn)的平均煙氣溫度值接近，這能夠保證SCR脫硝反應(yīng)催化劑在一個(gè)高活性且平穩(wěn)的反應(yīng)區(qū)域，保證脫硝反應(yīng)高效率進(jìn)行。從表2中可以看出，反應(yīng)器最高溫度沒(méi)有超過(guò)373 ℃，這樣能避免催化劑因高溫?zé)Y(jié)而導(dǎo)致活性下降。

2.2 入口煙氣流速分布

從表3中可以看出，進(jìn)口煙氣流速分布情況一般，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在9.2～17.2范圍內(nèi)，其中煙氣最大流速為23.56 m/s，最小流速為13.12 m/s。入口煙氣流速分布不均勻，對(duì)催化反應(yīng)不利，其中低速流場(chǎng)區(qū)因?yàn)闊煔饬魉龠^(guò)低容易導(dǎo)致灰塵沉淀堆積，堵塞催化劑表面；而煙氣速度過(guò)高的區(qū)域，容易造成灰塵對(duì)催化劑沖蝕，且氣體在催化劑表面停留時(shí)間過(guò)短，不利于催化反應(yīng)的完整進(jìn)行。隨著催化劑服役時(shí)間的增加，其入口煙氣流速分布均勻性越來(lái)越差，這也要求在后續(xù)檢修期間，需要對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)入口流場(chǎng)處進(jìn)一步優(yōu)化，保證入口煙氣流場(chǎng)的均勻性。

2.3 進(jìn)出口NO分布及脫硝效率

對(duì)SCR反應(yīng)器入口和出口的NO分布情況進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，從表4測(cè)量數(shù)據(jù)看，反應(yīng)器入口NO分布比較均勻，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在5%以內(nèi)。但是出口的NO分布不均勻，最大相對(duì)偏差達(dá)到25%左右，這可能是NO在反應(yīng)器內(nèi)與NH3混合不均勻造成的，也有可能是局部區(qū)域催化劑積灰、中毒等導(dǎo)致該區(qū)域NO沒(méi)有反應(yīng)完全，從而直接導(dǎo)致出口NO分布的不均勻性。此外，可以明顯看出隨著服役時(shí)間的增加，脫硝效率從80.42%降低到61.58%，這表明催化劑活性有明顯下降，在后期維護(hù)檢修中需要及時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行吹灰清掃或者再生和更換的管理，以提高催化劑活性，保證脫硝反應(yīng)的高效進(jìn)行。該發(fā)電廠檢修期間，催化劑安裝層飛灰堆積的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

2.4 氨逃逸及SO2轉(zhuǎn)化率

對(duì)NO進(jìn)行還原的主要?dú)怏w是NH3，當(dāng)噴射進(jìn)入煙道的NH3與NO充分混合時(shí)，有利于脫硝反應(yīng)的高效進(jìn)行。此外，部分SO2被氧化成SO3，但是轉(zhuǎn)化率相對(duì)較低，在0.5%范圍內(nèi)。從表5可以看出，氨逃逸的現(xiàn)象不可避免，逃逸的NH3會(huì)在空氣預(yù)熱器處與煙氣中的酸性氣體SO3反應(yīng)生成NH4HSO4和（NH4）2SO4，這兩種物質(zhì)都有很強(qiáng)的黏性和腐蝕性，會(huì)在空氣預(yù)熱器表面黏結(jié)，甚至黏結(jié)煙氣中的灰塵，造成空預(yù)器的堵塞和腐蝕，并且進(jìn)一步加大煙氣的流動(dòng)阻力。某電廠空預(yù)器的堵塞、腐蝕現(xiàn)場(chǎng)照片如圖7所示。

3 結(jié)論

①反應(yīng)器入口煙氣流場(chǎng)分布偏差較大，容易造成反應(yīng)器內(nèi)催化劑的局部積灰或沖蝕，在后續(xù)停機(jī)檢修中需要對(duì)入口流場(chǎng)進(jìn)一步優(yōu)化。

②反應(yīng)器出口NO分布不均勻，可能是反應(yīng)器內(nèi)NH3和NO混合不均勻，或者局部地區(qū)催化劑因積灰、中毒等導(dǎo)致失活。建議后續(xù)對(duì)噴氨裝置進(jìn)一步優(yōu)化，以及對(duì)催化劑積灰等情況進(jìn)行清掃處理。

③蜂窩狀催化劑隨著服役時(shí)間的增加，脫硝效率下降明顯，從80.42%降低到61.58%，催化劑活性下降明顯。

④氨氣逃逸的情況一直存在，隨著催化劑服役時(shí)間的增加，氨逃逸量也明顯增加，這也表明脫硝反應(yīng)具有不完全性，且氨氣在空氣預(yù)熱器中會(huì)生成硫酸氫銨等黏性物質(zhì)，堵塞和腐蝕空氣預(yù)熱器，并提高煙氣流動(dòng)的阻力。

⑤隨著催化劑服役時(shí)間的增加，催化劑活性下降明顯，需要考慮現(xiàn)場(chǎng)取樣對(duì)其活性進(jìn)行具體檢測(cè)，并對(duì)失活的催化劑進(jìn)行再生和更換管理，保證SCR系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

⑥催化劑不同服役時(shí)間后的現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)，為該電廠SCR系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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