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某火电厂SCR脱硝催化剂运行状况与活性测试


某火电厂 SCR 脱硝催化剂运行状况与活性测试
张   ,杨世极 强
西安热工研究院有限公司 ,陕西 西安   710032
[ 摘     ]   要 在某火电厂 SCR 脱硝装置运行 19 870 h 后 ,将催化剂取出观察其外观及内部孔道 , 并

测试催化剂比表面积 、 脱硝活性及 SO2 / SO3 的转化率 。将新鲜催

化剂活性 ( K0 ) 与所测 试催化剂活性 ( K) 进行比较 ,得出催化剂的活性损失值 。在此基础上 ,提出了电厂催化 剂运行及管理的建议 。
[关     ]   键 词 SCR 脱硝装置 ; 催化剂 ; 活性 ; K/ K0 值 [ 中图分类号 ]  X701 [ 文献标识码 ]   A [ DOI 编 号]   3969/ j. issn. 100223364. 2010. 04. 062 10. and management in power plant being p ut fo rward. [文 章 编 号 ]   100223364 ( 2010) 0420062205

THE OPERATIO N SITUATION OF CATALYST IN SCR D ENITRIFICATIO N SYSTEM OF O NE THERMAL POWER PLANT
ZHAN G Qiang , YAN G Shiji
Xi ’ Thermal Power Research Instit ute Co Lt d ,Xi’ 710032 ,Shaanxi Province , PRC an an

Abstract :After 19870 ho ur s in operatio n of t he SCR denit rificatio n system in o ne t hermal power plant , surface area ,denit rificatio n activit y ,and t he co nversio n rate of SO2 / SO3 for t he catalyst being tested. The activit y of f resh catalyst ( K0 ) and t he activit y of tested catalyst have been co mpared ,and t he lo st

t he used catalyst has been taken o ut ,and it s appearance and internal pores being o bserved ,t he specific

value of catalyst activit y being o btained , based o n t his , so me reco mmendatio ns fo r catalyst operatio n Key words :SCR denit rificatio n system ;catalyst ;activit y ; K/ K0 value. 600 M W) 第 1 个安装了 SCR 脱硝装置 ,至今脱硝装置

   随着环保标准的不断提高 , 国家对火电厂氮氧化 物 ( NO x ) 排放提出了严格的要求 。为此 , 越来越多的 火电厂安装了选择性催化还原 ( SCR ) 烟气脱硝装置 ( 简称 SCR 装置 ) 。2004 年 , 福建漳州后石电厂 ( 6 ×

的装机容量已达到 100 000 M W 以上 。这些 SCR 脱 硝装置建成投运以后 ,在寿命期内对 SCR 催化剂进行 有效的管理 ,使其高效发挥化学作用是保证 SCR 脱硝

基金项目 :   国家高技术研究发展计划资助项目 (2007AA05Z309) ; 国家重点基础研究发展计划资助项目 (2005CB221206) ; 科研院所技术开发专 作者简介 :   张强 (19652) ,男 ,陕西长安人 ,工学博士 ,研究员 ,目前主要从事火电厂 NO x 脱除技术的研究与开发 。 E mail : 2 zhangqiang @tpri. com. cn http://www.cnki.net
项基金 “燃煤电站脱硝催化剂的开发及工程应用”资助项目 ; 中国华能集团公司科技资助项目 ( HN KJ 072 G03 , HN KJ 082 H09)

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系统 ( 简称 SCR 系统) 性能的关键 。本文以某火电厂
SCR 装置为例 , 在其运行 19 870 h 以后 , 取出催化剂

测试块 ,观察催化剂外表及内部孔道 ,测量催化剂比表 面积 、 脱硝活性及 SO2 / SO3 的转化率 , 并将新鲜催化 剂活性 ( K0 ) 与测试催化剂活性 ( K) 进行比较 ,得到 K/ K0 值 ,提出了催化剂运行及管理的建议 。

1  催化剂在 SCR 脱硝系统中的位置及

图2  上层 ( 第 1 层) 催化剂布置 ( 俯视)

布置
某火电厂 SCR 装置于 2005 年 11 月 20 日开始投 运 ,至此次检测前催化剂累计使用 19 870 h ( 指通烟气 的累计时间) 。SCR 催化剂安装位置如图 1 所示 。

图3  下层 ( 第 2 层) 催化剂布置 ( 俯视)

图1  催化剂布置示意

催化剂上方设有不锈钢网 ( 网孔净尺寸 :5 mm × 5 mm) ,网上方设有耙式蒸汽吹灰器 。 试验共取出 4 个试验模块 ( 图 2 、 3 ) , 分别为 A 图 侧第 1 层 R3L3 、 侧第 2 层 R3L1 、 侧第 1 层 R3L3 A B 及 B 侧第 2 层 R3L1 ( 以下将这 4 个催化剂试验模块分 别简称为 A 侧第 1 层 、 侧第 2 层 、 侧第 1 层及 B 侧 A B 第 2 层) 。为了进行对比 ,同时采用同一类型的新鲜催 化剂模块进行试验 。

催化剂布置于锅炉省煤器后 、 空气预热器前的 A 、 B 两侧烟道 ,SCR 装置布置 2 个反应器 ,每个反应器布 置 2 层 ( 图 1 ) 。单个反应器每层有 6 × = 42 个催化 7 剂模块 ( 图 2 、 3) 。每个模块有 8 × = 64 个催化剂 图 8 单体 , 催 化 剂 单 体 尺 寸 为 150 mm ×150 mm ×665 mm ,孔数 18 × ,孔距 6. 9 mm , 壁厚 0. 6 mm 。每个 18 反应器每层设有 10 个催化剂取样点 。

2  催化剂外观的检测
某电厂催化剂的技术参数如表 1 所示 。

表1  催化剂的主要技术参数
项目 类型 基材 活性物质 长度/ mm 孔数 新催化剂 蜂窝型
TiO 2 V 2 O 52WO 3 622. 0 324 A 侧第 1 层 A 侧第 2 层 B 侧第 1 层 B 侧第 2 层

蜂窝型
TiO 2 V 2 O 52WO 3 622. 0 324

蜂窝型
TiO 2 V 2 O 52WO 3 622. 0 324

蜂窝型
TiO 2 V 2 O 52WO 3 622. 0 324

蜂窝型
TiO 2 V 2 O 52WO 3 622. 0 324

   对上述 4 个试验模块及新鲜催化剂模块进行了观 察对比 ,结果发现 ,试验模块有很少部分的孔道发生了 堵塞 ( 图 4) ,堵塞主要发生在边角部位 。另外 , 催化剂 磨损不均匀 ,局部断面颜色加重 、 发黑 , 例如 A 侧第 1

层的左下部 ,A 侧第 2 层的左上部 ,B 侧第 1 层的右下 部 ,B 侧第 2 层的左上部 ,尤其 B 侧第 2 层的左上部最 为严重 。

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如表 2 所示 。
表2  催化剂的质量比表面积
项目 新鲜催化剂
A 侧第 1 层 A 侧第 2 层 B 侧第 1 层 B 侧第 2 层

样品重量
/g 0. 535 2 0. 496 2 0. 410 6 0. 472 1 0. 433 3

活化温度 / ℃
350 350 350 350 350

活化时间
/ min 50 50 50 50 50

比表面积 S B ET / m2 ? - 1 g
55. 99 49. 09 49. 33 50. 71 47. 77

从表 2 可见 , 新鲜催化剂的质量比表面积最大 ( 55. 99 m2 / g) ,使用过的催化剂比表面积有所减小 ,这 是由烟气中微量元素使催化剂在使用过程中中毒 、 催 化剂表面冲蚀及催化剂孔道堵塞等原因所致 。B 侧第 2 层质量比表面积最小 ( 47. 77 m2 / g) , 分析其原因应
图4  各催化剂断面外观

3  催化剂比表面积的测试
催化剂比表面积的测定是按照 GB 5816 - 95 《催 化剂 、 吸附剂表面积测定法》 采用 ZXF210 型自动吸 , 附仪根据压力平衡的变化测定样品的吸附量 , 然后用 B E T 方程计算比表面积 。先将样品在真空条件下升 ) 温 ( 350 ℃ 进行活化处理 ,在绝对压力小于 6. 7 Pa 的 真空条件下恒温一定时间 , 而后将脱气后的样品在液 氮环境下进行氮气吸附脱附试验 , 并将采集的数据根 据 B E T 方程进行计算 。催化剂质量比表面积测量值

是由于气流分布不很均匀 , 催化剂局部受粉尘冲蚀使 催化剂活性表面减小 。通过观察催化剂的外观 , 确实 发现 B 侧第 2 层催化剂通道局部积灰较其它模块严重 ( 图 4) 。

4  催化剂脱硝活性的测试
4. 1   试验装置

采用西安热工研究院有限公司的 SCR 催化剂活 性评价装置 ( 图 5) 对催化剂脱硝活性进行测试 。试验 装置共分 5 部分 。

图5  SCR 催化剂性能测试流程

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  ( 1) 配气系统   试验采用标准钢瓶气模拟电厂烟 气 。烟气组成包括 N 2 、 2 、 、 2 ,N H3 为还原剂 。 O NO SO 由于典型烟气 NO x 中 NO 占 95 %以上 , NO2 的影响 很小 , 可以忽略 , 所以试验中的 NO x 采用 NO 代替 。 气体经质量流量计控制计量后进入混合器混合 , 然后 进入烟气预热器 。N H3 在反应器入口前加入 。 ( 2) 烟气预热器   常规 SCR 反应温度为 280~420 ℃。烟气预热器将烟气加热至一定温度 , 以确保反应 器内能达到适宜的温度 。采用温控仪 ( 精度为 ± ℃ 1 ) 控制烟气预热器出口烟温 。烟气预热器 、 脱硝反应器 及管道均进行外部保温 。 ( 3) 反应器   反应器为 40 mm × mm × 40 200 mm 的不锈钢立方体 ,为防止烟气短路 ,催化剂在放入反应 器之前外壁以石棉带缠绕 , 将催化剂与反应器内壁间 的缝隙密封 。反应器采用电加热方式 , 在催化剂上 、 中、 下部均设置热电偶 , 以测试反应器的温度 , 采用温 控仪 ( 精度为 ± ℃ 控制反应温度 。 1 ) ( 4) 烟气净化  SCR 反应中可能会生成硫酸氢铵 等物质 ,磨损也会使部分催化剂粉末带到反应器的下 游 ,故在烟气分析仪前设置陶瓷过滤器除尘装置 ,并采 用浓磷酸洗涤烟气 , 以防杂质及污染气体对测试结果 造成影响 。 ( 5 ) 烟气分析   烟气分析部分用于测试烟气中各 成分的浓度 ,其中 O2 、 采用罗斯蒙特 N GA2000 型 NO 气体分析仪在线测量 , 进口 NO 、 H3 、 2 的量采用 N SO 流量计控制 。 该套试验装置具有如下特点 : ( 1) 可实现不同烟气参数 ( 浓度 、 温度 、 空速比 、 N H3 / NO) 连续运行条件下的催化剂脱硝性能测试 。 ( 2 ) 试验装置为整体式结构 ,反应器 、 预热器 、 流量 控制系统 、 温度控制系统以及气体管路布置合理 ,操作 方便 。 ( 3 ) 试验所用的各种气体均采用标准钢瓶气 ,并为 各种气体配备专用阀门和质量流量计 , 确保试验结果 准确可信 。 ( 4) 加热系统设计合理 , 升温速率快 ; 采取多点测 温 ,温度控制系统精度高 。 ( 5 ) O2 ,NO ,SO2 ,CO 等多种烟气成分在线测试结 果准确可靠 。
4. 2   测试结果

图 6。

图6  脱硝效率随温度的变化

从图 6 可见 : ( 1) 未投入运行的新鲜催化剂脱硝效 率明显高于已经投入运行的催化剂 。( 2) A 侧第 1 层 、 A 侧第 2 层及 B 侧第 1 层在 285 ~ 425 ℃ 整个试验温 度区间内 ,NO 脱除率没有明显的差别 ,但 B 侧第 2 层 NO 脱除率比这三者低 。其可能的原因是气流分布不 均匀 , 粉尘冲蚀严重 , 催化剂通道堵塞 , 使催化剂表面 的活性成分被其它物质覆盖 , 因而阻碍了催化剂活性 物质对气体分子的吸附和生成物的解析 。 ( 3 ) 在整个 试验温度区间内 ,NO 脱除率的变化趋势一致 : 在低温 ) 段 ( 285~325 ℃ 脱硝率随温度的变化上升最快 ; 当温 度由 325 ℃ 上升到 385 ℃ ,脱硝效率升高较快 ; 当温 时 度由 385 ℃ 上升到 405 ℃时 ,脱硝效率升高趋缓 。
4. 3   催化剂活性曲线 SCR 系统运行一段时间后 , 由于烟气中微量元素

的毒害 、 粉尘及其它化合物堵塞及冲蚀等 ,催化剂活性 表面减小 ,活性降低 。 催化剂活性 ( K) 是温度和催化剂配方的函数 。在 燃煤锅炉中 , 该变量又是 SO2 氧化极限的函数 , 同时 还与面积速度 ( A V ) 紧密相关 。 根据所采用催化剂的比表面积 、 烟气流速 、 空速比 以及测量得到的 NO 脱除效率 , 计算得出催化剂的活 性常数 。通过对试样催化剂活性 ( K) 和新鲜催化剂活 性 ( K0 ) 进行比较 ,得出催化剂的活性损失值 。 本次测试选取 385 ℃温度点进行计算 , K/ K0 值 见表 3 。
表3  催化剂的活性比值 K/ K0
催化剂安装位置
A 侧第 1 层 A 侧第 2 层 B 侧第 1 层 ) K/ K0 ( t = 385 ℃ 0. 814 0 0. 826 3 0. 810 3 0. 736 3

在 NO x 浓度为 746 mg/ m , 空速为 4 000 h
3

- 1

,

B 侧第 2 层

N H3 / NO 摩尔比为 1 的条件下 , 所测 NO x 脱除率见

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催化剂活性比值 K/ K0 与运行时间的关系见图 7 。

等一个或多个原因 ,造成了催化剂轻微积灰 ,很少部分 孔道发生堵塞 ,比表面积和活性成分有所减少 ,最终使 催化剂活性降低 。 ( 2 ) 所测试的 4 个样品 A 侧第 1 层 、 侧第 2 层 、 侧第 1 层及 B 侧第 2 层的 K/ K0 值 A B 分别为 0. 814 、 826 、 810 和 0. 736 。B 侧第 2 层 K/ 0. 0. K0 值较低的原因应是该位置烟气分布不均匀 ,局部冲 刷严重 , 致使催化剂活性降低 。 ( 3 ) 所 测样品 SO2 /
SO3 的转化率小于 1 。

图7  催化剂活性比值 K/ K0 与运行时间的关系

根据 测 试 数 据 , 参 考 SCR 设 计 标 准 ( K/ K0 = 0. 69) ,某 电 厂 SCR 系 统 催 化 剂 使 用 一 段 时 间 ( ≥ 4 000 h) 后 ,可考虑增加预留层催化剂 , 同时需改善 B 侧烟气流动的均匀性 。 对于拥有类似脱硝系统的电厂 ,提出以下建议 : ( 1) 催化剂运行一段时间后会发生部分孔道堵塞 使表面积减小的现象 , 建议在锅炉停炉检修时检查催 化剂外观及密封装置的损坏情况 , 以及有无粉煤灰及 杂物等堆积现象 ,并将所有堵塞物予以清除 。 ( 2) 定期检测喷氨格栅 ( A IG) 系统 ,确保其工作正 常及无粉煤灰或杂物堵塞喷嘴现象 。 ( 3) 应定期检测催化剂活性 , 建议每年检测 1 次 。 将 K/ K0 值及 SO2 / SO3 转化率作为催化剂添加或更 换的依据 。对于 K/ K0 值 ,目前还没有统一的标准 ,不 同催化剂提供商给出的更换方案不同 ; 对于 SO2 / SO3 值 ,按设计标准要求应小于 1 % 。
[参       ] 考 文 献
[1 ]   欧洲经济委员会 . 氮氧化物排放控制技术经验总结 [ Z] .

5   2 / SO3 转化率 SO
SO2 / SO3 转率计算式如下 :

η 2 / SO3 = SO

CSO2 ,in - CSO2 ,out CSO2 ,in

( 1)

式中 : CSO2 ,in 为进口 SO2 浓度 ; CSO2 ,out 为出口 SO2 浓 度。 在 385 ℃、 2 = 1 500 mg/ m3 、 2 = 3 %的条件 SO O 下 ,不同催化剂的 SO2 / SO3 转化率见表 4 。由表 4 可 知 ,SO2 / SO3 转化率均小于 1 % 。
表 4   2 / SO3 转化率 SO
项目
SO 2 / SO 3 转化率/ %

新鲜 催化剂
0. 29

A侧 第1层 0. 51

A侧 第2层 0. 46

B侧 第1层 0. 53

B侧 第2层 0. 62

电力部环境保护办公室等译 ,1994.
[2 ]   张强 . 燃煤电站 SCR 烟气脱硝技术及工程应用 [ M ] . 北

6  结果分析及建议
( 1) 某电厂 SCR 系统脱硝催化剂在运行了 19 870 h 以后 ,由于微量元素中毒 、 催化剂堵塞及催化剂冲蚀

京 : 化学工业出版社 ,2007.
[3 ]   郭斌 ,廖永进 ,温智勇 . SCR 烟气脱硝系统性能试验中几

个问题的探讨 [J ]. 锅炉技术 ,2009 ,40 ( 1) .

作者撰写论文摘要及选择关键词注意事项
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