延長SCR脫硝催化劑使用壽命的措施
摘要:介紹了湖南華電長沙發電公司脫銷系統運行概況、 催化劑使用壽命的概念及其意義。通過對脫硝效率主要影響因素 ,尤其是催化劑有關參數的深入分析 ,從脫銷系統催化劑反應器設計優化、 運行優化、 維修檢查以及吹灰控制對延長催化劑使用壽命等方面進行了探討 ,為其他電廠脫銷系統運行、 降低脫硝系統維護和運行成本提供參考。
關鍵詞:脫硝效率,催化劑,使用壽命,措施
0 引言
目前, 90%以上人為排放的氮氧化物(NOx )來自于礦物燃料(如煤、石油、天然氣等)的燃燒過程。隨著中國電力工業的飛速發展,來自火電系統的 NOx 污染不斷加劇,控制氮氧化物的排放已經成為電力環保行業的重點。2004 年國家開始實施新的大氣排放標準,對火電廠NOx 排放要求有了大幅度的提高。按照GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標準》的要求,火電廠排放煙氣中NOx 的質量濃度必須小于450mg/m3。
湖南華電長沙發電有限公司是我國首批新建機組中同步投入脫硫、脫硝系統的電廠,每天單臺機組的脫硝運行成本約1. 7 萬元,年均500 萬元以上。此外,根據廠家說明書,催化劑置換或更新造成的折舊損失,每年高達1 000多萬元。催化劑置換費用約占系統總價的60% ～70%。影響催化劑折舊成本的重要因素之一是其使用壽命;目前催化劑的壽命一般為3～5年(廠家給定) 。如何在保證SCR脫硝效率前提下延長催化劑的使用壽命,減少發電企業運行成本,在當前各發電企業經營上舉步維艱的特別時期,具有現實的社會和經濟意義。電廠可在運行、操作和維護方面采取必要的措施來延長催化劑使用壽命。
1 脫硝系統運行情況及催化劑使用壽命
湖南華電長沙發電有限公司脫硝系統是由東方鍋爐(集團)股份有限公司設計制造,采取選擇性催化還原( SCR)法達到去除煙氣中NOx 的目的。SCR 反應器采用高灰布置,設計脫硝效率85%,初期裝入的催化劑按50%脫硝效率實施SCR技術,采用氨作為還原劑。
湖南華電長沙發電有限公司2臺脫硝機組脫硝性能試驗已經完成,脫硝裝置投入正常,系統運行平穩,脫硝效率達到設計值( 53%以上) ;按設計煤種燃燒工況,每年可以減少NOx 排放量2 100多t。氨逃逸率、SO2 /SO3 轉化率、系統阻力損失和氨耗量等考核性能指標,用煙氣溫度、煙氣流量及入口SO2 濃度修正后考核合格。由于煤炭市場供應形勢所限, 實際燃用煤種偏離設計值較大(特別是硫分和灰分明顯偏高) ,為保證脫硝效率,對SCR系統催化劑的運行維護提出了更高的要求。
工程上計算催化劑的使用壽命,一般從脫硝裝置投入商業運行開始到更換或加裝新的催化劑為止,把催化劑的運行小時數作為催化劑化學使用壽命(NOx 脫除率不低于性能保證要求,氨的逃逸率不高于0. 000 3% ) 。
湖南華電長沙發電有限公司SCR脫硝系統催化劑設計要求在鍋爐B - MCR 工況下保證催化劑的化學壽命不少于24 000 h,按機組每年利用小時數在5 000～6 000 h計算,其壽命應該為4～5年。在設計壽命后期,隨著脫硝效率的下降,應該進行催化劑的置換、部分或整體更換,如果SCR系統運行使用、維護不夠合理將使催化劑提前失效,進一步增加催化劑的折舊成本。
2 影響脫硝效率的主要因素
SCR系統影響脫硝效率的主要因素包括煙氣的溫度、飛灰特性和顆粒尺寸、煙氣流量、中毒反應、 NOx 的脫除率、物質的量比n (NH3 ) /n (NOx ) 、煙氣中SOx 的濃度、壓降、催化劑的結構類型和用量等。
2. 1 反應溫度的影響
反應溫度對脫硝率有較大的影響,從廠家給出的反應曲線(如圖1所示)可以看出,在300～400 ℃ 內(對中溫觸媒) ,隨著反應溫度的升高,脫硝率逐漸增加,升至400 ℃時,達到最大值( 90% ) ,隨后脫硝率隨溫度的升高而下降。這主要是由于在SCR 過程中溫度的影響存在2種趨勢:一方面溫度升高時脫硝反應速率增加,脫硝率升高;另一方面隨溫度升高,NH3 氧化反應加劇,使脫硝率下降。因此,最佳溫度是這2種趨勢對立統一的結果。
 |
脫硝反應一般在310～430 ℃范圍內進行,此時催化劑活性最大,所以,將SCR反應器布置在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間。
必須注意的是,催化劑能夠長期承受的溫度不得高于430 ℃,短期承受的溫度不得高于450 ℃,超過該限值,會導致催化劑燒結。
2. 2 物質的量比n (NH3 ) / n (NOx )的影響
物質的量比n (NH3 ) / n (NOx )對脫硝效率的影響如圖2所示(由廠家提供) 。
 |
在300 ℃下,脫硝率隨物質的量比n (NH3 ) /n (NOx )的增加而增加,物質的量比n (NH3 ) / n (NOx ) 小于0. 8時,其影響更明顯,幾乎呈線性正比關系。該結果說明:若NH3 投入量偏低,脫硝率受到限制; 若NH3 投入量超過需要量,NH3 氧化等副反應的反應速率將增大,如SO2 氧化生成SO3 ,在低溫條件下 SO3 與過量的氨反應生成NH4HSO4。NH4HSO4 會附著在催化劑或空預器冷段換熱元件表面上,導致脫硝效率降低或空預器堵塞。
氨的過量和逃逸取決于物質的量比n (NH3 ) / n (NOx )、工況條件和催化劑的活性用量(工程設計氨逃逸不大于0. 0003%, SO2 氧化生成SO3 的轉化率≤1%)。氨的逃逸率增加,在降低脫硝率的同時,也增加了凈化煙氣中未轉化NH3 的排放濃度,進而造成二次污染。
2. 3 接觸時間對脫硝率的影響
在300 ℃溫度和物質的量比n (NH3 ) / n (NOx ) 為1的條件下,脫硝率隨反應氣與催化劑的接觸時間t的增加而迅速增加; t增至200ms左右時,脫硝率達到最大值,隨后脫硝率下降。這主要是由于反應氣體與催化劑的接觸時間增加,有利于反應氣體在催化劑微孔內的擴散、吸附、反應和產物氣的解吸、擴散,從而使脫硝率提高;但若接觸時間過長, NH3 氧化反應開始發生,使脫硝率下降。
2. 4 催化劑中V2O5 的質量分數對脫硝率的影響
催化劑中V2O5 的質量分數低于6. 6%時,隨 V2O5 質量分數的增加,催化效率增加,脫硝率提高; 當V2O5 的質量分數超過6. 6%時,催化效率反而下降。這主要是由于V2O5 在載體TiO2 上的分布不同造成的: 當V2O5的質量分數為1. 4% ～4. 5%時, V2O5 均勻分布于TiO2 載體上,且以等軸聚合的V 基形式存在;當V2O5 的質量分數為6. 6%時, V2O5 在載體TiO2 上形成新的結晶區(V2O5 結晶區) ,從而降低了催化劑的活性。
2. 5 催化劑的結構類型和用量對脫硝效率的影響
該項目采用蜂窩式催化劑,其特點為表面積大、體積小、機械強度大、阻力較大。煙氣組成成分(如粉塵濃度、粉塵顆粒尺寸、堿性金屬和重金屬等)的含量是影響催化劑選型的主要參數。針對湖南長沙發電有限公司機組的實際情況,選用節距為8. 2mm的蜂窩式催化劑,可以避免催化劑在運行中產生堵塞。
3 延長催化劑使用壽命的措施
3. 1 SCR催化劑反應器的改進設計
催化劑和反應器是SCR 系統的主要部分。催化劑都含有少量的氧化釩和氧化鈦,因為它們具有較高的抗SO3 的能力。催化劑的結構、形狀隨它的使用環境而變化。為避免被顆粒堵塞,蜂窩狀、板式催化劑部件都是常用的結構,而華電長沙發電有限公司采用的是大孔徑的蜂窩狀部件,因為它強度高, 且容易清理。為了使被飛灰堵塞的可能性減到最小,反應器采用垂直放置,使煙氣由上而下流動。此外,每層裝有3臺IK - 525SL耙式吹灰器,采用引自屏式過熱器出口的過熱蒸汽吹灰。每臺反應器共初裝6臺吹灰器來防止顆粒的堆積。
對SCR系統進行優化設計則需考慮在催化反應器的入口處合理分布煙氣和氨,以防止由于各部位的溫度常偏離設計溫度而導致脫硝率的改變;采用倒流板、混合器、氨噴射器對兩側煙道獨立布置, 使煙氣在各斷面上流量基本相等;催化劑體積的設計中也要考慮適當放大催化劑的量;同時,還要考慮反應器中有效區域的變化。
3. 2 運行中嚴格根據煙氣參數確定脫硝裝置投退
在鍋爐的運行中,做到密切注意煙氣量及其波動范圍、煙氣溫度及其波動范圍、SCR裝置進口煙道上的煙氣壓力及其波動范圍、煙氣中的粉塵含量、煙氣中的二氧化硫含量等對脫硝效率和催化劑影響較大的參數,只有煙氣參數完全符合設計值,才允許投入SCR裝置。如果出現個別參數偏離設計值過大的情況,應及時進行分析,評估其危害性質和嚴重性,預先估計其后果并考慮補救措施,最終確認SCR 裝置投入或退出運行。
3. 3 鍋爐啟動和SCR系統投運過程中采取的措施
鍋爐啟動和SCR系統投運過程中,在運行調整上采取必要的措施,控制煙氣溫度的上升速度,避免對設備造成損害,特別是在冷態啟動時必須進行預熱。為了減少機械應力對催化劑模塊的傷害,在煙氣溫度低于70 ℃時,嚴格控制煙氣溫度上升速度不超過5 ℃/min;煙氣溫度升高到120 ℃前,煙氣溫度上升速度不超過10 ℃/min;煙氣溫度高于120 ℃到催化劑運行溫度間,升溫速度可以增加到60 ℃/min。
在SCR系統啟動次序上做調整。首先,開SCR 入口煙氣擋板啟動引風機和送風機用冷空氣清洗 SCR煙氣系統和催化劑模塊;鍋爐在滿足點火條件的情況下,使煙氣溫度升高加熱反應器到120 ℃以上;鍋爐具備了投煤條件,啟動一次風機投粉使煙氣溫度升高加熱反應器到310 ℃以上。其次,啟動稀釋空氣風機,開稀釋空氣出口擋板,使空氣流量大于 3 200m3 /h (遠期效率為85%時的空氣流量為5 400 m3 /h) ,氨從蒸發器供給已準備好。最后,滿足氨閥開啟條件后,開啟氨供應閥向A IG供應氨切換到由 NOx 自動控制噴氨量。
3. 4 啟動前的全面復查
啟動前對SCR系統進行詳細檢查,確保設備系統良好、可靠,嚴禁帶病運行。特別是利用每次停爐機會加強檢查:保證各層催化劑籃子上面應無任何異物,催化劑無短缺、碎裂;保證所有保溫表面的有效性,以防灼傷操作人員及烤壞儀表電器;認真確認所有儀表的安裝質量、功能的有效性、精度等級核定、零點漂移調整等與設計要求是否相符。機組啟動前做好重要儀器儀表的調整試驗工作,如NOx ,O2 分析儀的調整,檢查控制閥、連鎖閥動作情況,檢查所有電路、電氣安裝的正確性等。
平時運行中檢查所有檢查孔、人孔門、設備進出孔是否已可靠關閉,所有公用設施(蒸汽、壓縮空氣、水、氨氣等)是否已正確到位;同時加強檢查所有膨脹支座和膨脹節位置的正確性,保證沿膨脹方向上無異物阻擋;檢查鋼結構主要受力,梁撓度是否在允許值范圍內;通煙后在預設的檢查點檢查殼體熱變形值;熱態檢查儀表電氣工作的正確性。
3. 5 保證吹灰器正常運行和吹灰效果
每一吹灰器通過就地控制柜的手動按鈕進行試車,吹灰器的所有控制和順序功能均由分散控制系統(DCS)實現。與鍋爐本體的吹灰器同等對待,每臺反應器的吹灰器按從上至下的催化劑層依次運行,即上一層催化劑的吹灰器在設定的時間內依次啟動運行后,再開始運行下一層催化劑的吹灰器,保證每臺反應器每次只有1臺吹灰器運行。避免催化劑在運行中產生堵塞和大量積灰,一方面降低脫硝效率,另一方面損害催化劑的使用壽命。
為保證吹灰效果,吹灰蒸汽從鍋爐屏式過熱器吹灰蒸汽管道減壓站之后由1根主管引出,再由支管分別引入反應器的每個催化劑層吹灰器入口的本體控制閥控制蒸汽吹入反應器;為保證吹灰器運行可靠,每一吹灰器配有2個限位開關,當吹灰器耙子完全伸出和完全收回時觸發;每一吹灰器配有一對就地按鈕,保證在遠控失靈的情況下用于就地投退吹灰器。
在日常運行過程中,嚴格控制設定吹灰汽源壓力在1. 5～2. 5MPa。既要保證吹灰汽源壓力達到預期的吹灰效果(特別是對于燃用湖南灰分在50% 左右的地煤) ,又要控制壓力在合適范圍內,防止壓力過高吹損催化劑。同時,要選擇適當吹灰汽源溫度,防止吹灰汽源溫度過高造成局部催化劑區域超過允許的430 ℃,致使局部催化劑失效;在吹灰汽源投入時做到疏水充分,避免由吹灰器帶水造成催化劑粘灰而影響脫硝效率。
4 結論
因為催化劑置換費用約占系統總價的60% ～ 70% ,脫硝系統催化劑的折舊壽命直接決定著SCR 系統的運行成本。湖南華電長沙發電有限公司催化劑的設計使用壽命為4～5年,如果由于SCR系統運行使用、維護不夠合理使催化劑提前失效進行催化劑的置換、部分或整體更換,將進一步加大催化劑的折舊成本。正常使用壽命期內,湖南華電長沙發電有限公司脫硝系統每年設備折舊費用為1 000萬左右,如果催化劑提前1個月失效,那么在使用壽命期內每年設備折舊費用將增加至1 020萬左右,可見SCR脫硝系統催化劑的使用壽命對運營成本影響極大。
湖南華電長沙發電有限公司對SCR 系統在運行使用、維護操作上采取了一系列的嚴格防護措施以力求延長(或保證)催化劑的使用壽命,但其實際效果還有待于靠脫硝效率和催化劑的實際失效時間來驗證。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
