脫硝催化劑全壽命管理研究

＊何修年 閆修峰

（華電鄒縣發電有限公司 山東 273513）

隨著國家對環保要求的日益嚴格，減少大氣中污染物的排放，要求火電廠大氣污染物的排放執行新的標準，新標準的實行大大降低了火電廠SO2、NOx、煙塵等的排放量。排放的污染物中的NOx易與空氣中的水結合轉化為硝酸和硝酸鹽，對人的身體健康和生態居住環境等都存在危害，有效的降低火電廠NOx排放量成為重中之重。由于選擇性催化還原法煙氣脫硝即SCR技術工藝成熟、脫硝效率高效穩定，火電廠廣泛采用SCR煙氣脫硝技術降低煙氣中NOx排放量。

為了實現電廠煙氣中NOx的無污染排放，國內電廠大多采用SCR脫硝系統脫除煙氣中的NOx，在脫硝反應器中加裝催化劑，以液氨、尿素等為還原劑，與從省煤器來的煙氣混合，在反應器中催化劑的作用下，煙氣中的氮氧化物與氨氣經過化學反應被中和掉，生成氮氣和水，以此來減少煙氣中的NOx排放量，達到國家環保要求。

隨著SCR煙氣脫硝系統在我國火電廠的普遍應用，作為脫硝技術核心部分的催化劑，決定了脫硝系統的脫硝效率和經濟性，其重要性漸漸被人們重視，而如何保持催化劑的高效活性，使其使用壽命延長，運行費用減少，是脫硝系統需解決的重要問題。

在SCR系統中催化劑成本占脫硝工程成本的20%左右，由于其建設成本高，而且有壽命期限的限制，當壽命期限到期后需要根據實際情況加換催化劑，這樣就增加了運行成本，對催化劑加強規范管理，建立催化劑全壽命管理，增長催化劑的使用周期尤為重要。一般催化劑分為機械壽命和化學壽命。機械壽命由其自身的結構決定，受脫硝系統中煙氣情況的影響，如煙氣中灰塵等的摩擦腐蝕會不可逆轉地降低機械壽命?；瘜W壽命是指工程通常所說的催化劑使用壽命，指在保證氨逃逸、脫硝效率等指標的情況下，催化劑連續運行使用的時間。本文從以下幾方面對脫硝催化劑的性能及全壽命管理進行分析及預測。

1.脫硝催化劑的運行管理

良好的運行管理方式能夠增加催化劑的使用壽命，同時保證脫硝系統經濟、安全地運行。在現場運行管理過程中，煙氣流場的均勻性、煙氣的流量和溫度、壓降及積灰等都是需要重點關注的指標，都會影響催化劑的使用效果。

在催化劑運行過程中，煙氣流場的均勻性很重要，煙氣流量不均容易造成積灰沉積，會導致催化劑局部阻塞或垮塌的現象。由煙氣流量不均造成積灰沉積阻塞部分催化劑孔道，會導致催化劑其它孔道煙氣流速加快，煙氣流速跟煙氣中積灰對催化劑磨損成正比，由此可見煙氣流量不均易加速催化劑磨損。在系統實際運行中，如果煙氣流量不均，很容易造成反應器靠近鍋爐側的位置局部積灰，當發現煙氣流量不均時，可在后期的脫硝提效改造時通過對局部調整導流板來優化流場，減少流量不均帶來的影響。

脫硝催化劑需要在一定的溫度范圍內運行才能發揮其作用，此溫度范圍既保證氮氧化物還原反應速度，同時保證了催化劑的使用期限。催化劑設計運行溫度一般控制在320-440℃的范圍。溫度低于設計運行溫度，氨氣與SO3容易生成硫酸氫銨，降低催化劑的活性；而溫度高于設計運行溫度，將導致催化劑失活。所以，在實際運行中盡量避免低溫度運行，如果發現系統運行溫度不在設計運行溫度區間，應盡快調整系統運行到設計的運行溫度范圍，從而保護催化劑的活性，保證催化劑的使用期限。

在催化劑運行過程中，經常發生積灰阻塞催化劑的情況，造成催化劑活性下降，所以在實際運行中，當運行人員發現催化劑壓降增大時，需要增加吹灰次數，通過有效的吹灰來降低壓降，減少積灰。

2.脫硝催化劑的性能檢測

催化劑的活性性能關系到煙氣中NOx排放是否達標，關系到氨逃逸率是否超標，是否會產生硫酸氫銨影響空預器，催化劑的活性性能對催化劑全壽命管理有很強的指導性，同時也是脫硝系統優化運行的參考依據。脫硝催化劑活性性能檢測是保證催化劑使用壽命期限的核心之一，其檢測包括安裝前、現場實際運行過程中和使用壽命期限末期的檢測。在催化劑安裝前進行性能檢測可以評估催化劑的機械性能和活性指標是否符合設計值，可以避免操作風險，同時建立催化劑性能指標的基本資料數據庫，便于運行中進行全壽命管理。安裝前的檢測包括催化劑的外觀尺寸、比表面積、孔體積、抗壓強度和磨損強度等機械指標，以及主要化學元素成分、脫硝效率、反應器潛能、SO2/SO3轉化率、氨逃逸等工藝指標。

在脫硝系統實際運行過程中進行催化劑性能檢測也是不可缺少的環節，由于脫硝催化劑在實際運行過程中會出現運行值低于設計值的情況，而導致NOx濃度排放超標、催化劑孔道和空氣預熱器阻塞、引風機出力不夠等等問題。實際運行過程中進行性能檢測可以了解催化劑當前的活性情況，預測催化劑的剩余使用期限，也能及時發現有無問題，為運行人員快速制定解決方案提供依據。

通過催化劑壽命末期進行的性能檢測，跟催化劑廠家的出廠檢測報告對比來確定是否達到了使用壽命末期，通過整體性能評估來預測催化劑是否可以再生，從而判斷催化劑的更換或加裝情況，提高運行的經濟穩定性。

3.脫硝反應器的潛能

實驗室測得的催化劑活性指標是在理想的煙氣情況下得到的，不代表實際運行過程中煙氣流場、灰塵沉積、氨氮摩爾比等對脫硝催化劑的性能影響。煙氣條件對不同脫硝裝置的影響程度是不同的，僅僅通過催化劑活性來預測會導致其使用期限提前或滯后，造成催化劑更換面積不準確。通過現場和實驗數據相結合計算脫硝反應器潛能，用于反映實際煙氣情況下的催化劑總體性能，建立脫硝催化劑的全壽命預測方法。針對NOx排放達標、氨逃逸濃度達到限值的要求，通過反應器潛能的劣化預測催化劑的剩余使用期限，考慮到煙氣濃度流量和飛灰沉積的影響，用每層催化劑的活性來預測實際的催化劑加裝更換方案，并對多個可行方案進行技術方面及經濟方面的比較。煙氣速度和溫度等一系列運行條件對反應器潛能的影響，通過NOx濃度、脫硝效率及氨逃逸濃度等參數體現，運行過程中可以通過實驗和現場測試，分析脫硝反應器潛能的情況。

受煙氣中化學物質成分及積灰等引起的堵塞等物理損傷的影響，反應器的潛能隨著運行時間的增加而下降，需要定期對其進行測量。

4.催化劑管理系統設計

火力發電廠脫硝催化劑的性能評估是一個非常復雜的過程，在性能檢測的基礎上建立催化劑的信息管理與性能分析系統平臺，在此基礎上開發了脫硝催化劑全壽命管理系統即催化劑管理系統。在催化劑管理系統中設計并建立催化劑的性能信息庫，通過跟蹤催化劑的活性性能變化情況更新催化劑使用壽命曲線；同時管理系統還建立了催化劑的全壽命預測模型，根據脫硝效率、系統的投運時間、入出口NOx濃度、氨逃逸等實時和歷史數據，對催化劑進行性能評估與使用壽命預測，為催化劑的再生或是換裝等優化運行提供依據。

催化劑管理系統平臺的開發建立既需要獲得催化劑本身的性能數據，還需要采集現場實際運行中實時及歷史運行的一系列煙氣參數，需要大量的數據支撐，平臺中人員手工錄入的催化劑活性檢測數據與現場數據采集模塊采集的數據是支撐催化劑管理平臺其他功能的基礎。管理系統平臺中通過Web網頁預留手動錄入窗口，工作人員將定期檢測得到的催化劑數據手工錄入系統平臺；脫硝系統實際生產運行過程中的實時及歷史數據以及工藝流程通過廠級監控信息系統安全獲取，通過大數據智能分析和反應器潛能智能計算模型，實現催化劑性能評估、壽命預警預測和加換裝等優化指導。

催化劑管理系統所需信息包括生產數據（如機組負荷、煙氣量、煙氣溫度、出入口NOx濃度、氨逃逸濃度等一系列參數）、催化劑信息（如催化劑取樣位置、取樣時間、脫硝系統累計運行時間等）以及催化劑活性、SO2/SO3轉化率等等，將運行人員手工錄入與管理系統采集模塊獲取的數據整合，再經過應用服務器中深度學習智能算法進行相關計算，計算結果及錄入信息都存儲在服務器的數據庫，系統平臺向客戶端用戶提供錄入、查詢、顯示報警及換裝指導等信息。通過Web網頁瀏覽的方式，隨時查看催化劑的情況、催化劑是否滿足運行要求及歷史換裝情況等等信息，具有權限的管理人員可對平臺進行維護。

催化劑全壽命預測可以保證電廠經濟環?？煽窟\行。催化劑管理系統提供的工藝性能指標隨時間變化的曲線，反映出脫硝系統核心指標是否存在超標，其中工藝性能指標包含脫硝效率、氨逃逸濃度、SO2/SO3轉化率、反應器潛能及催化劑的活指標。通過對脫硝效率和氨逃逸濃度這兩個指標的監控，保證氮氧化物濃度排放不超標；通過對氨逃逸濃度、SO2/SO3轉化率、催化劑壓降等指標預測，對產生的硫酸氫銨及積灰在催化劑孔道和空氣預熱器表面的沉積情況進行預警，提醒運行人員及時采取相應措施，保證系統穩定正常運行，從安全方面，降低了由于空氣預熱器嚴重堵塞而引起的機組非停，保證機組連續可靠的運行；從經濟方面，適當增長了催化劑的使用壽命，降低催化劑再生或換裝的成本。

5.結束語

本文通過對催化劑的運行管理、性能檢測、脫硝反應器潛能、催化劑管理系統的設計等方面說明了脫硝催化劑的性能評估和壽命管理。脫硝催化劑的性能評估與壽命管理系統開發的目的是積累催化劑的相關運行數據，建立催化劑特性數據庫，最終達到利用脫硝催化劑性能評估與壽命管理系統指導電廠進行脫硝系統的優化運行、催化劑的管理和維護的目的。