燃煤电厂脱硝催化剂全寿命管理模式研究
摘要：在当前燃煤电厂全面推进超低排放的形势下，SCR脱硝装置运行稳定性、可靠性、经济性问题日益凸显，而开展脱硝催化剂全寿命管理工作是解决这一问题的关键所在。针对当前国内催化剂市场、脱硝装置运维、第三方服务现状，提出涵盖催化剂全寿命周期的产品供货、质量管控、高效运维、提效优化、寿命管理以及报废处置的全寿命管理模式。通过明确全寿命管理各阶段责任单位，实施相应的质量控制、运行维护、评估优化技术，可充分发挥各方单位的专业特长，实现脱硝装置稳定、可靠、经济运行，产生显著的环保效益与经济效益。
关键词：SCR；脱硝；催化剂；全寿命管理
0引言
“十二五”以来，燃煤电厂开展了大规模的脱硝改造与超低排放改造工作，其中SCR脱硝技术应用最为广泛。环保工程公司陆续通过引进、吸收、消化国外SCR脱硝技术，建成了大量SCR脱硝装置，相应装配了大量SCR脱硝催化剂。但由于改造任务集中、技术经验缺乏、主要设备质量管控不到位、脱硝催化剂质量良荞不齐、发电企业运维经验与能力不足等原因，部分工程实施过程中隐藏的问题已在投运后逐渐显现，诸如催化剂磨损、堵灰严重、流场分布不均匀、性能指标不能达到设计值、空预器堵塞腐蚀等问题已屡见不鲜，部分问题由于暴露时间较晚，对机组安全稳定运行形成较大影响，并造成了较为严重的经济损失。在当前燃煤电厂全面推进超低排放的形势下，对SCR脱硝装置运行稳定性、可靠性、经济性提出了更高的要求，而对SCR脱硝的核心—催化剂进行全寿命周期管控是关键所在。在此背景形势下，针对当前脱硝催化剂应用过程中存在的问题，在进行大量调研分析与论证的基础上，对适应我国脱硝应用现状的催化剂全寿命管理模式进行研究与应用，可供后续开展相关工作借鉴及进一步探讨。
1全寿命管理模式研究
1 .1全寿命管理模式分析
针对当前SCR脱硝催化剂应用现状及存在问题，催化剂全寿命管理不仅应确保催化剂采购成本的集约化，还应包括对脱硝装置的高效性能管控，在此基础上实现脱硝装置的可靠、高效、经济运行，因此催化剂全寿命管理模式应涵盖催化剂全寿命周期的产品供货、质量管控、高效运维、提效优化、寿命管理以及报废处置六个部分。同时催化剂全寿命管理不仅以发电企业为主体单位，还应包括催化剂厂商与第三方技术服务单位作为责任单位，通过明确各方责任，充分发挥各方专业特长，发电企业能够获得质量稳定可靠的催化剂产品与优质高效的技术服务，减少催化剂采购成本与运维成本，实现催化剂全寿命管理的效益最大化。
催化剂全寿命管理模式各组成部分的内容分析如图1 所示。
产品供货—责任单位为催化剂厂商，负责催化剂产品的选型、配方设计及生产，应以提供优质产品为目的。当前常规的催化剂采购方式为即用即购，一般是在催化剂性能验收后即完成付款，或预留10%质保金延长至一年时间，但由于催化剂化学寿命往往为3年，实际使用寿命为9年，在寿命周期内的性能管控与剩余活性的充分利用难以有效实现。鉴于当前催化剂采购方式的弊端，全寿命管理可确定某一催化剂厂商负责一定期限内的催化剂产品供应。对于催化剂厂商而言，获得了长期稳定的供货订单，可通过长周期的供货模式调整其产品供应策略，以尽可能压缩供货成本;对于发电企业而言，可通过相关商务条款约束和激励催化剂厂商提供优质产品。
质量管控—责任单位为第三方技术服务单位，负责按照标准方法开展催化剂检测评价与脱硝装置性能验收，对催化剂产品的质量进行有效管控。通过客观、公正地进行催化剂产品检测评价与脱硝装置性能验收，可代替发电企业对催化剂厂商供货质量起到监督、把关作用。
高效运维—责任单位为发电企业，负责按照有关规程开展脱硝装置高效运维工作，确保脱硝装置各项运行参数处于设计范围内，对异常运行状况能够及时进行分析判断，对主要设备及常规故障进行及时的检修维护。发电企业仅须专注于本职工作，同时催化剂厂商需基于其供货产品性能保证提供运维说明与指导意见，第三方技术服务单位需基于其技术服务提供高效运维技术咨询。
提效优化—责任单位为催化剂厂商，负责催化剂寿命到期或排放标准发生变化后的催化剂添加、更换、再生等提效工作，以及针对工程遗留问题或边界条件出现重大变化所导致的脱硝装置优化改造工作。第三方技术服务单位根据其技术服务工作提供技术支撑。
寿命管理—责任单位为第三方技术服务单位，负责在催化剂全寿命周期内，提供定期的催化剂性能检测、不定期的脱硝装置性能评估、诊断、优化等技术服务工作，在此基础上掌握脱硝催化剂的性能状况，及时诊断分析催化剂运行异常并提出针对性解决措施，预测催化剂寿命趋势并制定催化剂加装/ 更换/ 再生等管理方案，为催化剂提效优化提供技术支撑与指导，从而最大化利用催化剂活性，延长催化剂使用寿命。
报废处置—责任单位为催化剂厂商，负责按照国家有关要求对报废催化剂进行无害化处置。当前国内相关管理体系尚未规范、完善，发电企业对其重要性认识不足，通过明确责任单位，由专业厂商开展催化剂报废处置，能够有效地规避环保风险。
1.2 全寿命管理模式应用效果分析
通过上述分析，可根据近年来发展过程将催化剂管理模式
分为以下几类：
早期管理模式—主要应对环保达标排放以及技改工程限期治理要求，在早期大规模工程改造以及催化剂市场供不应求的形势下，仅仅是单纯粗放式的工程阶段设备“买+ 装”模式，缺乏对催化剂产品质量的管控。现行管理模式—鉴于早期管理模式在工程投运后产生的一系列问题，近年来发电企业对催化剂质量加强了管控，初步形成了“买+ 检+ 装+ 不定期检”的模式，但由于缺乏连续性与整体性考虑，未能充分调动各方单位的参与度，责任单位往往在于发电企业，相关工作开展较为被动，难以实现对催化剂全寿命周期的采购质量、运行寿命以及脱硝运维成本的有效管控。
全寿命管理模式—鉴于早期以及当前催化剂管理模式的上述弊端，从产品供货、质量管控、高效运维、提效优化、寿命管理以及报废处置六个部分实施系统、完善、操作性强的催化剂全寿命管理，并分别明确各部分的责任单位，如表1 所示，能够有效提升脱硝装置运行可靠性，减少检修维护工作量，延长催化剂寿命，除主动发生必要的提效优化与寿命管理技术服务费用外，催化剂消耗、处置成本以及脱硝装置运维成本均能够得到有效控制，且能够有效避免由于空预器清洗、锅炉降出力甚至停机、脱硫废水增加、粉煤灰销售受限等间接经济损失，因此能够产生显著的环保效益与经济效益。
2全寿命管理模式效益分析
全寿命管理模式实施后，能够提升脱硝装置运行稳定性与可靠性，进而可以有效的控制火电机组NOx排放量。另外通过延长催化剂的实际使用寿命可减少催化剂的更换量，进而可减少废弃催化剂的处置量，因此具有良好的环保效益。
此外，催化剂全寿命管理成本如式1所示。
式中，AC为催化剂全寿命管理成本(万元);n为催化剂寿命周期(年);Ct为第t期催化剂采购成本(万元);Cc为催化剂消耗成本(万元);Cs为催化剂报废处置成本(万元);R为还原剂成本(万元);E为电耗成本，主要对应脱硝装置与空预器阻力(万元);W为水耗成本，对应尿素制氨除盐水消耗(万元);S为汽耗成本，对应液氨蒸发、尿素水解、管道保温等蒸汽消耗(万元);D为提效优化成本，对应脱硝装置提效及优化改造费用(万元);M为催化剂寿命管理技术服务成本，对应定期催化剂检测评价、定期脱硝装置性能评估、不定期诊断及优化、脱硝运维与催化剂管理技术咨询等技术服务(万元)。
以某1000MW机组为例，假设能够将催化剂化学寿命由3年延长至3.5年、节约还原剂耗量5%、降低脱硝及空预器运行阻力300Pa，则可年节约催化剂成本50万元、还原剂成本40万元、能耗(水、电、汽耗)成本160万元，总计可节约脱硝运行成本250万元/年。假设国内某发电集团192台77770MW SCR脱硝机组催化剂统一实施全寿命管理模式后，基于当前运行现状，通过折算对应装机的催化剂采购成本、还原剂消耗成本、能耗成本，如表2所示，可节约脱硝运行费用约1.63亿元/年。因此全寿命管理模式实施后，将能够有效提升脱硝装置运行可靠性、减少脱硝装置运行成本。
3结语
在当前煤电机组全面推进超低排放以及环保设施进人精细化运维的形势下，现有催化剂管理模式已无法满足SCR脱硝装置的运行稳定性、可靠性、经济性要求，开展脱硝催化剂全寿命管理工作已势在必行。催化剂全寿命管理不仅应确保催化剂采购成本的集约化，还应包括对脱硝装置的高效性能管控，在此基础上实现脱硝装置的可靠、高效、经济运行。因此催化剂全寿命管理模式应涵盖催化剂全寿命周期的产品供货、质量管控、高效运维、提效优化、寿命管理以及报废处置，六部分既相互串联、又相互融合。催化剂厂商负责催化剂全寿命周期的产品供货、提效优化及报废处置，第三方技术服务单位为发电企业提供催化剂质量管控与催化剂寿命管理技术服务，发电企业专注于脱硝运维。如此，能够充分发挥各方单位的专业特长且操作性较强，可实现催化剂全寿命管理效益最大化，产生显著的环保效益、安全效益以及经济效益。
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