吳國潮，劉長東，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與壽命管理

吳國潮1，劉長東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是催化劑壽命管理中的一項(xiàng)核心工作。對某燃煤電廠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，結(jié)果表明，經(jīng)過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濉币詠恚S著國家對火電廠環(huán)保要求的日益提高，針對電廠NOx排放標(biāo)準(zhǔn)提出了新要求，SCR脫硝技術(shù)在國內(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]。因此需對催化劑進(jìn)行有效管理來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。性能檢測是SCR脫硝催化劑壽命管理工作中的核心內(nèi)容，是對催化劑進(jìn)行管理的依據(jù)。然而煙氣脫硝在國內(nèi)尚屬新興環(huán)保領(lǐng)域，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，電廠對催化劑性能評價(jià)缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)[11-12]。

本文以國內(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Cormetech公司產(chǎn)品)為研究對象，對催化劑外觀、微觀性能、脫硝活性、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率等進(jìn)行了系統(tǒng)檢測，并結(jié)合初始活性K0值，預(yù)測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。

1.2催化劑活性評價(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)行掃描測試。樣品的比表面積和孔容采用美國Quantachrome公司NOVA-4000e型物理吸附儀測試。

2　結(jié)果與討論

2.1催化劑外觀

對催化劑樣品外觀結(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。說明催化劑經(jīng)過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15 481小時(shí)運(yùn)行后比表面積和孔容均出現(xiàn)下降趨勢。這可能是在運(yùn)行過程中催化劑發(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)。目前國內(nèi)外測試脫硝催化劑性能的裝置主要有兩類，一類是小型評價(jià)裝置，另外一類是全尺寸SCR脫硝催化劑性能檢測系統(tǒng)即中試系統(tǒng)。兩種SCR脫硝催化劑性能檢測裝置區(qū)別見表2。同小型評價(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Cormetech公司引進(jìn)了具有世界領(lǐng)先水平的檢測工藝和技術(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層催化劑性能的評價(jià)。

2.4.2結(jié)果與壽命預(yù)測

該機(jī)組SCR脫硝催運(yùn)行15 481小時(shí)后，取出催化劑測試樣條并在中試系統(tǒng)中進(jìn)行了性能評價(jià)，催化劑活性和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率結(jié)果見表3，活性變化趨勢圖如圖3所示。由表3可以看出催化劑經(jīng)過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]。通過對該催化劑活性K和初始催化劑活性K0進(jìn)行比較，相對活性(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裝置區(qū)別

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

項(xiàng)目小型評價(jià)裝置中試系統(tǒng)測試樣品尺寸3×3～5×5孔完整的催化劑煙氣來源配氣法配氣法或燃燒法測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)合活性衰減趨勢可以對該SCR脫硝催化劑壽命進(jìn)行預(yù)測。基于本次活性檢測結(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

本文在國內(nèi)某燃煤電廠脫硝催化劑性能檢測的基礎(chǔ)上研究，得出以下結(jié)論：(1)國內(nèi)某燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)經(jīng)過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。

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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

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

10.14068/j.ceia.2016.05.019

X701

A

2095-6444(2016)05-0073-03