延长SCR脱硝催化剂使用寿命的措施探讨

0 引言
目前, 90 % 以上人为排放的氮氧化物 ( NOx ) 来 自于矿物燃料 (如煤、 石油、 天然气等 ) 的燃烧过程。 随着中国 电力工 业的飞 速发 展, 来自 火电系 统的 NOx 污染不断加剧 , 控制氮氧化物的排放已经成为 电力环保行业的 重点。 2004 年国家开始实施新的 大气排放标准, 对火电厂 NOx 排放要求有了大幅度 的提高。按照 GB 13223
图 1 反应温度与脱硝效率的关系
2 . 2 物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx )的影响 物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx ) 对脱硝效率的影 响如图 2 所示 (由厂家提供 ) 。
3 延长催化剂使用寿命的措施
3 . 1
图 2 物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx ) 对脱 硝效率的影响
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华电 技 术
第 31卷
的反应曲线 ( 如图 1所示 )可以看出, 在 300~ 400 # 内 ( 对中温触媒 ) , 随着反应温度的升高, 脱硝率逐 渐增加 , 升至 400 # 时, 达到最大值 ( 90 % ) , 随后脱 硝率随温度的升高 而下降。这 主要是由于在 SCR 过程中温度的影响存在 2 种趋势: 一方面温度升高 时脱硝反应速率增加 , 脱硝率升高; 另一方面随温度 升高, NH 3 氧化反应加剧 , 使脱硝率下降。因此 , 最 佳温度是这 2 种趋势对立统一的结果。 脱硝反应一般在 310~ 430 # 范围内进行, 此时 催化剂活性最大, 所以 , 将 SCR 反应器布置在锅炉 省煤器与空气预热器之间。 必须注意的是, 催化剂能够长期承受的温度不 得高于 430 # , 短期承受的温度不得高于 450 # , 超 过该限值, 会导致催化剂烧结。
n ( NOx )、 工况条件和催化剂的活性用量 (工程设计氨逃 逸不大于 0 . 0003 % , SO2 氧化生成 SO3 的转化率 ∃ 1 % )。 氨的逃逸率增加, 在降低脱硝率的同时 , 也增加 了净化烟气中未转化 NH 3 的排放浓度, 进而造成二 次污染。 2 . 3 接触时间对脱硝率的影响 在 300 # 温度和物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx ) 为 1 的条件下 , 脱硝率随反应气与催化剂的接触时 间 t 的增加而迅速增加; t 增至 200m s左右时, 脱硝 率达到最大值 , 随后脱硝率下降。这主要是由于反 应气体与催化剂的接触时间增加 , 有利于反应气体 在催化剂微孔内的扩散、 吸附、 反应和产物 气的解 吸、 扩散, 从而使脱 硝率提高; 但若接触时 间过长, NH 3 氧化反应开始发生 , 使脱硝率下降。 2 . 4 催化剂中 V 2 O5 的质量分数对脱硝率的影响 催化剂中 V 2 O5 的质 量分数低 于 6 . 6% 时 , 随 V2 O5 质量分数的增加 , 催化效率增加, 脱硝率提高; 当 V2 O5 的质量分数超过 6 . 6 % 时, 催化效率反而下 降。这主要是由于 V 2O 5 在载体 T iO2 上的分布不同 造成 的: 当 V 2 O5 的质 量分 数为 1. 4 % ~ 4 . 5 % 时, V2 O5 均匀分布于 T iO2 载体上, 且以等轴聚合的 V 基形式存在; 当 V2 O5 的质量分数为 6 . 6 % 时, V 2O 5 在载体 T i O 2 上形成新的结晶区 ( V2 O5 结晶区 ) , 从 而降低了催化剂的活性。 2 . 5 催化剂的结构类型和用量对脱硝效率的影响 该项目采用蜂窝式催化剂, 其特点为表面积大、 体积小、 机械强度大、 阻力较大。烟气组成成分 ( 如粉 尘浓度、 粉尘颗粒尺寸、 碱性金属和重金属等 )的含量 是影响催化剂选型的主要参数。针对湖南长沙发电 有限公司机组的实际情况, 选用节距为 8 . 2mm 的蜂 窝式催化剂, 可以避免催化剂在运行中产生堵塞。
SCR 催化剂反应器的改进设计 催化剂和反应器是 SCR 系统的主要部 分。催
化剂都含有少量的氧化钒和氧化钛 , 因为它们具有 较高的抗 SO3 的能力。催化剂的结构、 形状随它的 使用环境而变化。为避免被颗粒堵塞, 蜂窝状、 板式 催化剂部件都是常用的结构, 而华电长沙发电有限 公司采用的是大孔径的蜂窝状部件, 因为它强度高, 且容易清理。为了使被飞灰 堵塞的可能性 减到最 小, 反应器采用垂直放置 , 使烟气由上而下流动。此 外, 每层装有 3 台 I K - 525SL 耙式吹灰器, 采用引自 屏式过热器出口的过热蒸汽吹灰。每台反应器共初 装 6 台吹灰器来防止颗粒的堆积。 对 SCR系 统进行优化设 计则需考虑在催 化反
410000)
要 : 介绍了湖南华电长沙发电公司脱销系统运行概况、 催化剂使用寿命的概念及其意义。通过对脱硝效率主要影响
因素 , 尤其是催化剂有关参数的深入分析 , 从脱销系 统催化剂反应器设计优化、 运行优化、 维修检查以及吹灰控制对延长 催化剂使用寿命等方面进行了探 讨 , 为其他电厂脱销系统运行、 降低脱硝系统维护和运行成本提供参考。 关键词 : 脱硝效率 ; 催化剂 ; 使用寿命 ; 措施 中图分类号 : X 773 文献标志码 : B 文章编号 : 1674- 1951( 2009) 12- 0019- 03
第 12 期
孙海峰 , 等 : 延长 SCR 脱硝催化剂使用寿命的措施探讨
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应器的入口处合理分布烟气和氨, 以防止由于各部 位的温度常偏离设计温度而导致脱硝率的改变 ; 采 用倒流板、 混合器、 氨喷射器对两侧烟道独立布置 , 使烟气在各断面上流量基本相等; 催化剂体积的设 计中也要考虑适当放大催化剂的量; 同时 , 还要考虑 反应器中有效区域的变化。 3 . 2 运行中严格根据烟气参数确定脱硝装置投退 在锅炉的运行中, 做到密切注意烟气量及其波 动范围、 烟气温度及其波动范围、 SCR 装置进口烟道 上的烟气压力及其波动范围、 烟气中的粉尘含量、 烟 气中的二氧化硫含量等对脱硝效率和催化剂影响较 大的参数, 只有烟气参数完全符合设计值 , 才允许投 入 SCR 装置。如果出现个别参数偏离设计值过大 的情况 , 应及时进行分析 , 评估其危 害性质和严重 性 , 预先估计其后果并考虑补救措施 , 最终确认 SCR 装置投入或退出运行。 3 . 3 锅炉启动和 SCR 系统投运过程中采取的措施 锅炉启动和 SCR 系统投运过程中, 在运行调整 上采取必要的措施 , 控制烟气温度的上升速度 , 避免 对设备造成损害, 特别是在冷态启动时必须进行预 热。为了减少机械应力对催化剂模块的伤害, 在烟气 温度低于 70 # 时, 严格控制烟气温度上升速度不超 过 5 # /m in ; 烟气温度升高到 120 # 前, 烟气温度上 升速度不超过 10 # /m in ; 烟气温度高于 120 # 到催化 剂运行温度间, 升温速度可以增加到 60 # /m in 。 在 SCR 系统启动次序上做调整。首先, 开 SCR 入口烟气挡板启动引风机和送风机 用冷空气清洗 SCR 烟气系统和催化剂模块 ; 锅炉在满足点火条件 的情况下, 使烟气温度升高加热反应器到 120 # 以 上 ; 锅炉具备了投煤条件, 启动一次风机投粉使烟气 温度升高加热反应器到 310 # 以上。其次 , 启动稀 释空气风机 , 开稀释空气出口挡板, 使空气流量大于 3 200m /h( 远期效率为 85 % 时的空气流量为 5 400 3 m /h) , 氨从蒸发器供给已准备好。最后, 满足氨阀 开启条件后, 开启氨供应阀向 A IG 供应氨切换到由 NOx 自动控制喷氨量。 3 . 4 启动前的全面复查 启动前对 SCR 系统进行详细检查 , 确保设备系 统良好、 可靠 , 严禁带病运行。特别是利用每次停炉 机会加强检查: 保证各层催化剂篮子上面应无任何 异物, 催化剂无短缺、 碎裂 ; 保证所有保温表面的有 效性, 以防灼伤操作人员及烤坏仪表电器 ; 认真确认 所有仪表的安装 质量、 功 能的有效性、 精度等级核 定、 零点漂移调整等与设计要求是否相符。机组启 动前做好重要仪器仪表的调整试验工作, 如 NOx , O2 分析仪的调整, 检查控制阀、 连锁阀动作情况 , 检查
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入的催化剂按 50% 脱硝效率实施 SCR 技术 , 采用氨 作为还原剂。 湖南华电长沙发电有限公司 2 台脱硝机组脱硝 性能试验已经完成 , 脱硝装置投入正常 , 系统运行平 稳, 脱硝效率达到设计值 ( 53 % 以 上 ) ; 按设计煤种 燃烧工况 , 每年可以减少 NOx 排放量 2 100 多 t 。氨 逃逸率、 SO2 /SO 3 转化率、 系统阻力损失和氨耗量等 考核性能指标 , 用烟气温度、 烟气流量及入口 SO 2 浓 度修正后考核合格。由于煤炭市场供应形势所限, 实际燃用煤种偏离设计值较大 (特别是硫分和灰分 明显偏高 ) , 为保证脱硝效率, 对 SCR 系统催化剂的 运行维护提出了更高的要求。 工程上计算催化剂的使用寿命, 一般从脱硝装 置投入商业运行开始到更 换或加装新的催 化剂为 止, 把催化剂的运行小时数作为催化剂化学使用寿 命 ( NOx 脱除率不低于性能保证要求 , 氨的逃逸率不 高于 0. 000 3 % )。 湖南华电长沙发电有限公司 SCR 脱硝系统催 化剂设计要求在 锅炉 B - MCR 工 况下保证催化剂 的化学寿命不少于 24 000 h , 按机组每年利用小时数 在 5 000~ 6 000 h 计算 , 其寿命应该为 4~ 5 年。在 设计寿命后期 , 随着脱硝效率的下降, 应该进行催化 剂的置换、 部分或整体更换, 如果 SCR 系统运行使 用、 维护不够合理将使催化剂提前失效 , 进一步增加 催化剂的折旧成本。
2003 火电厂大气污染物
排放标准 !的要求, 火电厂排放烟气中 NOx 的质量 浓度必须小于 450m g /m 。 湖南华电长沙发电有限公司是我国首批新建机 组中同步投入脱硫、 脱硝系统的电厂 , 每天单台机组 的脱硝运行成 本约 1. 7 万元 , 年均 500 万元以上。 此外, 根据厂家说明书 , 催化剂置换或更新造成的折 旧损失, 每年高达 1 000 多万元。催化剂置换费用 约占系统总价的 60 % ~ 70 % 。影响催化剂折旧成 本的重要因素之一是其使用寿命; 目前催化剂的寿 命一般为 3~ 5 年 ( 厂家给定 ) 。如何在保证 SCR 脱 硝效率前提下延长催化剂的使用寿命, 减少发电企 业运行成本 , 在当前各发电企业经营上举步维艰的 特别时期, 具有现实的社会和经济意义。电厂可在 运行、 操作和维护方面采取必要的措施来延长催化 剂使用寿命。
1 脱硝系统运行情况及催化剂使用寿命
湖南华电长沙发电有限公司脱硝系统是由东方 锅炉 (集团 ) 股份有限公司设计制造 , 采取选择性催 化还原 ( SCR) 法达到去除烟气中 NOx 的目的。 SCR 反应器采用高灰布置 , 设 计脱硝效率 85 % , 初期装
收稿日期 : 2009- 04- 09
第 31 卷 第 12 期 2009年 12月
华电 技 术 H uad ian T echno lo gy
Vo . l 31 No . 12 Dec . 2009
延长 SCR 脱硝催化剂使用寿命的措施探讨
孙海峰 , 杨广春 , 高景玉
( 1. ຫໍສະໝຸດ Baidu南华电长沙发电有限公司 , 湖南 长沙 摘
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410203; 2 . 华电湖南分公司 , 湖南 长沙
在 300 # 下 , 脱硝率随物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx )的增加而增加, 物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx ) 小于 0 . 8 时, 其影响更明显, 几乎呈线性正比关系。 该结果说明 : 若 NH 3 投入量偏低, 脱硝率受到限制 ; 若 NH 3 投入量超过需要量, NH 3 氧化等副反应的反 应速率将增大, 如 SO2 氧化生成 SO3, 在低温条件下 SO3 与过量的氨反应生成 NH 4H SO4。 NH 4H SO4 会 附着在催化剂或空预器冷段换热元件表面上 , 导致 脱硝效率降低或空预器堵塞。 氨的过量和逃逸取 决于物质的 量比 n ( NH 3 ) /
2 影响脱硝效率的主要因素
SCR 系统影响脱硝效率的主要因素包括烟气的 温度、 飞灰特性和颗粒尺寸、 烟气流量、 中 毒反应、 NOx 的脱除率、 物质的量比 n ( NH 3 ) /n ( NOx )、 烟气 中 SOx 的浓度、 压降、 催化剂的结构类型和用量等。 2 . 1 反应温度的影响 反应温度对脱硝率有较大的影响, 从厂家给出