某火電廠SCR催化劑不同服役階段脫硝性能試驗及研究

劉智湘 肖芝 聶輝文

摘 要：【目的】某1 000 WM燃煤火力發電廠SCR脫硝系統采用蜂窩狀催化劑。為把握隨著催化劑服役時間增加相關脫硝性能參數的變化規律，對脫硝系統多次進行現場試驗。【方法】試驗采用專業儀器設備對脫硝系統煙氣流速、脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率等性能參數進行測量分析。【結果】隨著催化劑服役時間的增加，脫硝效率會明顯降低，氨逃逸率有一定程度的增大，空氣預熱器處會生成硫酸氫銨等有害物質，造成堵塞。【結論】隨著服役時間的增加，催化劑會因為飛灰沖刷、堆積及重金屬中毒等導致活性下降，催化劑局部區域積灰較多，空氣預熱器堵塞情況嚴重，需要及時對催化劑進行更新或者再生處理，提高催化劑活性，保證脫硝系統安全經濟運行。

關鍵詞：SCR脫硝系統；脫硝效率；催化劑活性

中圖分類號：X773 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0091-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.018

Test and Study on Denitration Performance of SCR Catalyst at Different Service Stages in a Thermal Power Plant

LIU Zhixiang XIAO Zhi NIE Huiwen

（Hunan Chemical Vocational Technology College， Zhuzhou 412000， China）

Abstract： [Purposes] The SCR denitration system of a 1 000 WM coal-fired power plant uses honeycomb catalyst. To grasp the change rule of relevant denitration performance parameters with the increase of catalyst service time， field tests on denitration system was conducted for many times. [Methods] The test uses professional instruments and equipment to measure and analyze the performance parameters of the denitration system， such as flue gas flow rate， denitration efficiency， ammonia escape rate， SO2 /SO3 conversion rate， etc. [Findings] It can be seen that with the increase of catalyst service time， denitration efficiency will be significantly reduced， ammonia escape rate will be increased to a certain extent， and harmful substances such as ammonium bisulfate will be generated at the air preheater to cause blockage. [Conclusions] With the increase of service time， the activity of the catalyst will be reduced due to the scouring and accumulation of fly ash， heavy metal poisoning and other reasons. There are many ash deposits in local areas of the catalyst， and the blockage of the air preheater is serious. It is necessary to update or regenerate the catalyst in time to improve the catalyst activity and ensure the safe and economical operation of the denitration system.

Keywords： SCR denitration system; denitration efficiency; catalyst activity

0 引言

氮氧化物（NOx）是重要的大氣污染物之一，也是造成光化學煙霧、霧霾等現象的主要原因。我國的能源結構以煤為主，煤炭的消費占到能源消費總量的70%以上［1］，其中火力發電廠的燃煤消費占煤炭消耗量的50%。據統計，2017年底，工業源氮氧化物排放量為645.90萬t，僅電力、熱力生產和供應業的排放量就高達169.24萬t，占工業氮氧化物排放量的26.20%［2］。同比其他國家和地區，我國NO排放總量較大，其中電廠的排放量占到NOx排放總量的43%。由此看來，控制好燃煤火電廠NOx排放量是減少NOx污染的關鍵。

選擇性催化還原（SCR）脫硝技術是指在催化劑和氧氣存在的條件下，在一定的溫度范圍內（一般為300～420 ℃），NH3作為還原劑選擇性地將煙氣中的NOx還原成對環境無害的N2和H2O的技術。日本電站鍋爐首先對該技術進行現場應用，后續隨著該技術的逐步成熟及高效的NOx脫除率（高達95%），SCR技術廣泛應用于全世界，SCR技術在我國火電廠燃煤機組上應用最為廣泛，已成為目前燃煤電廠選擇的最主要的脫硝技術手段［3］。

催化劑被認為是SCR脫硝系統的核心裝置，其前期投資占整個SCR系統的30%～50%左右，且催化劑運行3～5年后需要更換、再生等處理，耗費成本高。催化劑在使用一段時間后，活性會下降，從而影響NOx的脫除效率和氨逃逸的增加等，因此對催化劑活性情況的及時把握顯得尤為重要［4］。

本研究以某1 000 MW火電廠2#燃煤機組SCR脫硝系統蜂窩式催化劑為研究對象，在該催化劑服役0.5年、2年、5年后分別進行脫硝性能試驗，研究相關性能參數變化規律，分析催化劑性能下降的原因，對脫硝系統的運行提出參考性建議，并為催化劑后續的更換再生管理提供依據。

1 試驗方法

脫硝性能試驗主要是對電廠安裝運行SCR脫硝系統一段時間后，通過專業測試儀器對SCR系統進出口處煙氣溫度、流速分布、煙氣量、脫硝率、氨逃逸、SO2 /SO3轉化率、系統阻力等脫硝性能參數進行現場試驗。

試驗通過專業試驗長槍插入取樣口，運用網格法對相關性能參數進行測量，省煤器出口處作為SCR脫硝系統的入口測量點，空氣預熱器進口處為SCR脫硝系統的出口測量點，具體如圖1所示。反應器有A和B兩側，每一側入口和出口處各有9個均勻分布的測量孔，每個孔內有2～3個測點，測點深度相差1.5 m左右。反應器測點示意如圖2和圖3所示，測點網格布置如圖4和圖5所示。

NOx的測量儀器通常為紅外NOx分析儀，O2的測量儀器通常為順磁氧量計。通過對NOx和O2的同時測量，將NOx的數據換算為6% O2基準的數據，并按以下內容對數據進行分析。

反應器入口NOx平均值表示為式（1）。

[x=1ni=1nxi] （1）

式中：[x]為NOx平均值；xi為某一測點值；n為測點數。

反應器出口NOx標準偏差、相對標準偏差計算分別見式（2）和式（3）。

[σn-1=1n-1i=1nxi-x2] （2）

[νk=σn-1x×100%] （3）

式中：[σn-1]為NOx的標準偏差；[νk]為NOx的相對標準偏差。

SCR反應器脫硝效率計算見式（4）。

[η=NOx入口平均-NOx出口平均NOx入口平均×100%] （4）

SO2 /SO3轉化率通過測量SCR反應器進口的SO2、SO3和出口的SO3得到，SO2 /SO3轉化率的計算公式見式（5）。

SO2 /SO3轉化率=

[SO3出口平均-SO3進口平均SO2進口平均] （5）

此外，對于NH3的測量，現場采用專門設備取樣品送回實驗室進行分析，掌握氨的逃逸情況。

2 試驗結果與分析

試驗對象為廣東省某1 000 MW燃煤火電廠，在SCR脫硝系統蜂窩式催化劑不同服役時間后分別進行脫硝性能試驗，獲取試驗參數并進行對比，分析關鍵性能參數的變化規律。試驗條件基本概況見表1。

2.1 入口煙氣溫度分布

反應器進口煙氣分布見表2。從表2對反應器入口溫度的測量數據來看，整體溫度場分布比較均勻，最大相對標準偏差為1.6，標準偏差基本都在4 ℃范圍內。此外，入口溫度場最大溫度值為372.2 ℃，最小溫度值為348.3 ℃，且每一次試驗的平均煙氣溫度值接近，這能夠保證SCR脫硝反應催化劑在一個高活性且平穩的反應區域，保證脫硝反應高效率進行。從表2中可以看出，反應器最高溫度沒有超過373 ℃，這樣能避免催化劑因高溫燒結而導致活性下降。

2.2 入口煙氣流速分布

從表3中可以看出，進口煙氣流速分布情況一般，相對標準偏差在9.2～17.2范圍內，其中煙氣最大流速為23.56 m/s，最小流速為13.12 m/s。入口煙氣流速分布不均勻，對催化反應不利，其中低速流場區因為煙氣流速過低容易導致灰塵沉淀堆積，堵塞催化劑表面；而煙氣速度過高的區域，容易造成灰塵對催化劑沖蝕，且氣體在催化劑表面停留時間過短，不利于催化反應的完整進行。隨著催化劑服役時間的增加，其入口煙氣流速分布均勻性越來越差，這也要求在后續檢修期間，需要對SCR脫硝系統入口流場處進一步優化，保證入口煙氣流場的均勻性。

2.3 進出口NO分布及脫硝效率

對SCR反應器入口和出口的NO分布情況進行試驗測量，從表4測量數據看，反應器入口NO分布比較均勻，相對標準偏差在5%以內。但是出口的NO分布不均勻，最大相對偏差達到25%左右，這可能是NO在反應器內與NH3混合不均勻造成的，也有可能是局部區域催化劑積灰、中毒等導致該區域NO沒有反應完全，從而直接導致出口NO分布的不均勻性。此外，可以明顯看出隨著服役時間的增加，脫硝效率從80.42%降低到61.58%，這表明催化劑活性有明顯下降，在后期維護檢修中需要及時對催化劑進行吹灰清掃或者再生和更換的管理，以提高催化劑活性，保證脫硝反應的高效進行。該發電廠檢修期間，催化劑安裝層飛灰堆積的現場照片如圖6所示。

2.4 氨逃逸及SO2轉化率

對NO進行還原的主要氣體是NH3，當噴射進入煙道的NH3與NO充分混合時，有利于脫硝反應的高效進行。此外，部分SO2被氧化成SO3，但是轉化率相對較低，在0.5%范圍內。從表5可以看出，氨逃逸的現象不可避免，逃逸的NH3會在空氣預熱器處與煙氣中的酸性氣體SO3反應生成NH4HSO4和（NH4）2SO4，這兩種物質都有很強的黏性和腐蝕性，會在空氣預熱器表面黏結，甚至黏結煙氣中的灰塵，造成空預器的堵塞和腐蝕，并且進一步加大煙氣的流動阻力。某電廠空預器的堵塞、腐蝕現場照片如圖7所示。

3 結論

①反應器入口煙氣流場分布偏差較大，容易造成反應器內催化劑的局部積灰或沖蝕，在后續停機檢修中需要對入口流場進一步優化。

②反應器出口NO分布不均勻，可能是反應器內NH3和NO混合不均勻，或者局部地區催化劑因積灰、中毒等導致失活。建議后續對噴氨裝置進一步優化，以及對催化劑積灰等情況進行清掃處理。

③蜂窩狀催化劑隨著服役時間的增加，脫硝效率下降明顯，從80.42%降低到61.58%，催化劑活性下降明顯。

④氨氣逃逸的情況一直存在，隨著催化劑服役時間的增加，氨逃逸量也明顯增加，這也表明脫硝反應具有不完全性，且氨氣在空氣預熱器中會生成硫酸氫銨等黏性物質，堵塞和腐蝕空氣預熱器，并提高煙氣流動的阻力。

⑤隨著催化劑服役時間的增加，催化劑活性下降明顯，需要考慮現場取樣對其活性進行具體檢測，并對失活的催化劑進行再生和更換管理，保證SCR系統的高效運行。

⑥催化劑不同服役時間后的現場性能試驗，為該電廠SCR系統的安全經濟運行提供了寶貴的現場依據。

參考文獻：

［1］譚青，馮雅晨.我國煙氣脫硝行業現狀與前景及SCR脫硝催化劑的研究進展［J］.化工進展，2011，30（S1）：709-713.

［2］王軍霞，李曼，敬紅，等.我國氮氧化物排放治理狀況分析及建議［J］.環境保護，2020，48（18）：24-27.

［3］陳進生.燃煤電廠煙氣脫硝技術-選擇性催化還原法［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］劉智湘. 在役SCR催化劑活性及動力學參數研究［D］.廣州：華南理工大學，2013.