延长SCR脱硝催化剂使用寿命的措施
摘要: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
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—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450mg/m3。
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 /SO3 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SO2 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。
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 (NH3 ) /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,NH3 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。
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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。
2. 2 物质的量比n (NH3 ) / n (NOx )的影响
物质的量比n (NH3 ) / n (NOx )对脱硝效率的影响如图2所示(由厂家提供) 。
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在300 ℃下,脱硝率随物质的量比n (NH3 ) /n (NOx )的增加而增加,物质的量比n (NH3 ) / 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NH3 投入量偏低,脱硝率受到限制; 若NH3 投入量超过需要量,NH3 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NH4HSO4。NH4HSO4 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 (NH3 ) / 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NH3 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 (NH3 ) / 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200ms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, NH3 氧化反应开始发生,使脱硝率下降。
2. 4 催化剂中V2O5 的质量分数对脱硝率的影响
催化剂中V2O5 的质量分数低于6. 6%时,随 V2O5 质量分数的增加,催化效率增加,脱硝率提高; 当V2O5 的质量分数超过6. 6%时,催化效率反而下降。这主要是由于V2O5 在载体TiO2 上的分布不同造成的: 当V2O5的质量分数为1. 4% ～4. 5%时, V2O5 均匀分布于TiO2 载体上,且以等轴聚合的V 基形式存在;当V2O5 的质量分数为6. 6%时, V2O5 在载体TiO2 上形成新的结晶区(V2O5 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。
3 延长催化剂使用寿命的措施
3. 1 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IK - 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 ℃/min;烟气温度升高到120 ℃前,烟气温度上升速度不超过10 ℃/min;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 ℃/min。
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 200m3 /h (远期效率为85%时的空气流量为5 400 m3 /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,检查所有电路、电气安装的正确性等。
平时运行中检查所有检查孔、人孔门、设备进出孔是否已可靠关闭,所有公用设施(蒸汽、压缩空气、水、氨气等)是否已正确到位;同时加强检查所有膨胀支座和膨胀节位置的正确性,保证沿膨胀方向上无异物阻挡;检查钢结构主要受力,梁挠度是否在允许值范围内;通烟后在预设的检查点检查壳体热变形值;热态检查仪表电气工作的正确性。
3. 5 保证吹灰器正常运行和吹灰效果
每一吹灰器通过就地控制柜的手动按钮进行试车,吹灰器的所有控制和顺序功能均由分散控制系统(DCS)实现。与锅炉本体的吹灰器同等对待,每台反应器的吹灰器按从上至下的催化剂层依次运行,即上一层催化剂的吹灰器在设定的时间内依次启动运行后,再开始运行下一层催化剂的吹灰器,保证每台反应器每次只有1台吹灰器运行。避免催化剂在运行中产生堵塞和大量积灰,一方面降低脱硝效率,另一方面损害催化剂的使用寿命。
为保证吹灰效果,吹灰蒸汽从锅炉屏式过热器吹灰蒸汽管道减压站之后由1根主管引出,再由支管分别引入反应器的每个催化剂层吹灰器入口的本体控制阀控制蒸汽吹入反应器;为保证吹灰器运行可靠,每一吹灰器配有2个限位开关,当吹灰器耙子完全伸出和完全收回时触发;每一吹灰器配有一对就地按钮,保证在远控失灵的情况下用于就地投退吹灰器。
在日常运行过程中,严格控制设定吹灰汽源压力在1. 5～2. 5MPa。既要保证吹灰汽源压力达到预期的吹灰效果(特别是对于燃用湖南灰分在50% 左右的地煤) ,又要控制压力在合适范围内,防止压力过高吹损催化剂。同时,要选择适当吹灰汽源温度,防止吹灰汽源温度过高造成局部催化剂区域超过允许的430 ℃,致使局部催化剂失效;在吹灰汽源投入时做到疏水充分,避免由吹灰器带水造成催化剂粘灰而影响脱硝效率。
4 结论
因为催化剂置换费用约占系统总价的60% ～ 70% ,脱硝系统催化剂的折旧寿命直接决定着SCR 系统的运行成本。湖南华电长沙发电有限公司催化剂的设计使用寿命为4～5年,如果由于SCR系统运行使用、维护不够合理使催化剂提前失效进行催化剂的置换、部分或整体更换,将进一步加大催化剂的折旧成本。正常使用寿命期内,湖南华电长沙发电有限公司脱硝系统每年设备折旧费用为1 000万左右,如果催化剂提前1个月失效,那么在使用寿命期内每年设备折旧费用将增加至1 020万左右,可见SCR脱硝系统催化剂的使用寿命对运营成本影响极大。
湖南华电长沙发电有限公司对SCR 系统在运行使用、维护操作上采取了一系列的严格防护措施以力求延长(或保证)催化剂的使用寿命,但其实际效果还有待于靠脱硝效率和催化剂的实际失效时间来验证。
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