脱硝催化剂全寿命管理研究

＊何修年 闫修峰

（华电邹县发电有限公司 山东 273513）

随着国家对环保要求的日益严格，减少大气中污染物的排放，要求火电厂大气污染物的排放执行新的标准，新标准的实行大大降低了火电厂SO2、NOx、烟尘等的排放量。排放的污染物中的NOx易与空气中的水结合转化为硝酸和硝酸盐，对人的身体健康和生态居住环境等都存在危害，有效的降低火电厂NOx排放量成为重中之重。由于选择性催化还原法烟气脱硝即SCR技术工艺成熟、脱硝效率高效稳定，火电厂广泛采用SCR烟气脱硝技术降低烟气中NOx排放量。

为了实现电厂烟气中NOx的无污染排放，国内电厂大多采用SCR脱硝系统脱除烟气中的NOx，在脱硝反应器中加装催化剂，以液氨、尿素等为还原剂，与从省煤器来的烟气混合，在反应器中催化剂的作用下，烟气中的氮氧化物与氨气经过化学反应被中和掉，生成氮气和水，以此来减少烟气中的NOx排放量，达到国家环保要求。

随着SCR烟气脱硝系统在我国火电厂的普遍应用，作为脱硝技术核心部分的催化剂，决定了脱硝系统的脱硝效率和经济性，其重要性渐渐被人们重视，而如何保持催化剂的高效活性，使其使用寿命延长，运行费用减少，是脱硝系统需解决的重要问题。

在SCR系统中催化剂成本占脱硝工程成本的20%左右，由于其建设成本高，而且有寿命期限的限制，当寿命期限到期后需要根据实际情况加换催化剂，这样就增加了运行成本，对催化剂加强规范管理，建立催化剂全寿命管理，增长催化剂的使用周期尤为重要。一般催化剂分为机械寿命和化学寿命。机械寿命由其自身的结构决定，受脱硝系统中烟气情况的影响，如烟气中灰尘等的摩擦腐蚀会不可逆转地降低机械寿命。化学寿命是指工程通常所说的催化剂使用寿命，指在保证氨逃逸、脱硝效率等指标的情况下，催化剂连续运行使用的时间。本文从以下几方面对脱硝催化剂的性能及全寿命管理进行分析及预测。

1.脱硝催化剂的运行管理

良好的运行管理方式能够增加催化剂的使用寿命，同时保证脱硝系统经济、安全地运行。在现场运行管理过程中，烟气流场的均匀性、烟气的流量和温度、压降及积灰等都是需要重点关注的指标，都会影响催化剂的使用效果。

在催化剂运行过程中，烟气流场的均匀性很重要，烟气流量不均容易造成积灰沉积，会导致催化剂局部阻塞或垮塌的现象。由烟气流量不均造成积灰沉积阻塞部分催化剂孔道，会导致催化剂其它孔道烟气流速加快，烟气流速跟烟气中积灰对催化剂磨损成正比，由此可见烟气流量不均易加速催化剂磨损。在系统实际运行中，如果烟气流量不均，很容易造成反应器靠近锅炉侧的位置局部积灰，当发现烟气流量不均时，可在后期的脱硝提效改造时通过对局部调整导流板来优化流场，减少流量不均带来的影响。

脱硝催化剂需要在一定的温度范围内运行才能发挥其作用，此温度范围既保证氮氧化物还原反应速度，同时保证了催化剂的使用期限。催化剂设计运行温度一般控制在320-440℃的范围。温度低于设计运行温度，氨气与SO3容易生成硫酸氢铵，降低催化剂的活性；而温度高于设计运行温度，将导致催化剂失活。所以，在实际运行中尽量避免低温度运行，如果发现系统运行温度不在设计运行温度区间，应尽快调整系统运行到设计的运行温度范围，从而保护催化剂的活性，保证催化剂的使用期限。

在催化剂运行过程中，经常发生积灰阻塞催化剂的情况，造成催化剂活性下降，所以在实际运行中，当运行人员发现催化剂压降增大时，需要增加吹灰次数，通过有效的吹灰来降低压降，减少积灰。

2.脱硝催化剂的性能检测

催化剂的活性性能关系到烟气中NOx排放是否达标，关系到氨逃逸率是否超标，是否会产生硫酸氢铵影响空预器，催化剂的活性性能对催化剂全寿命管理有很强的指导性，同时也是脱硝系统优化运行的参考依据。脱硝催化剂活性性能检测是保证催化剂使用寿命期限的核心之一，其检测包括安装前、现场实际运行过程中和使用寿命期限末期的检测。在催化剂安装前进行性能检测可以评估催化剂的机械性能和活性指标是否符合设计值，可以避免操作风险，同时建立催化剂性能指标的基本资料数据库，便于运行中进行全寿命管理。安装前的检测包括催化剂的外观尺寸、比表面积、孔体积、抗压强度和磨损强度等机械指标，以及主要化学元素成分、脱硝效率、反应器潜能、SO2/SO3转化率、氨逃逸等工艺指标。

在脱硝系统实际运行过程中进行催化剂性能检测也是不可缺少的环节，由于脱硝催化剂在实际运行过程中会出现运行值低于设计值的情况，而导致NOx浓度排放超标、催化剂孔道和空气预热器阻塞、引风机出力不够等等问题。实际运行过程中进行性能检测可以了解催化剂当前的活性情况，预测催化剂的剩余使用期限，也能及时发现有无问题，为运行人员快速制定解决方案提供依据。

通过催化剂寿命末期进行的性能检测，跟催化剂厂家的出厂检测报告对比来确定是否达到了使用寿命末期，通过整体性能评估来预测催化剂是否可以再生，从而判断催化剂的更换或加装情况，提高运行的经济稳定性。

3.脱硝反应器的潜能

实验室测得的催化剂活性指标是在理想的烟气情况下得到的，不代表实际运行过程中烟气流场、灰尘沉积、氨氮摩尔比等对脱硝催化剂的性能影响。烟气条件对不同脱硝装置的影响程度是不同的，仅仅通过催化剂活性来预测会导致其使用期限提前或滞后，造成催化剂更换面积不准确。通过现场和实验数据相结合计算脱硝反应器潜能，用于反映实际烟气情况下的催化剂总体性能，建立脱硝催化剂的全寿命预测方法。针对NOx排放达标、氨逃逸浓度达到限值的要求，通过反应器潜能的劣化预测催化剂的剩余使用期限，考虑到烟气浓度流量和飞灰沉积的影响，用每层催化剂的活性来预测实际的催化剂加装更换方案，并对多个可行方案进行技术方面及经济方面的比较。烟气速度和温度等一系列运行条件对反应器潜能的影响，通过NOx浓度、脱硝效率及氨逃逸浓度等参数体现，运行过程中可以通过实验和现场测试，分析脱硝反应器潜能的情况。

受烟气中化学物质成分及积灰等引起的堵塞等物理损伤的影响，反应器的潜能随着运行时间的增加而下降，需要定期对其进行测量。

4.催化剂管理系统设计

火力发电厂脱硝催化剂的性能评估是一个非常复杂的过程，在性能检测的基础上建立催化剂的信息管理与性能分析系统平台，在此基础上开发了脱硝催化剂全寿命管理系统即催化剂管理系统。在催化剂管理系统中设计并建立催化剂的性能信息库，通过跟踪催化剂的活性性能变化情况更新催化剂使用寿命曲线；同时管理系统还建立了催化剂的全寿命预测模型，根据脱硝效率、系统的投运时间、入出口NOx浓度、氨逃逸等实时和历史数据，对催化剂进行性能评估与使用寿命预测，为催化剂的再生或是换装等优化运行提供依据。

催化剂管理系统平台的开发建立既需要获得催化剂本身的性能数据，还需要采集现场实际运行中实时及历史运行的一系列烟气参数，需要大量的数据支撑，平台中人员手工录入的催化剂活性检测数据与现场数据采集模块采集的数据是支撑催化剂管理平台其他功能的基础。管理系统平台中通过Web网页预留手动录入窗口，工作人员将定期检测得到的催化剂数据手工录入系统平台；脱硝系统实际生产运行过程中的实时及历史数据以及工艺流程通过厂级监控信息系统安全获取，通过大数据智能分析和反应器潜能智能计算模型，实现催化剂性能评估、寿命预警预测和加换装等优化指导。

催化剂管理系统所需信息包括生产数据（如机组负荷、烟气量、烟气温度、出入口NOx浓度、氨逃逸浓度等一系列参数）、催化剂信息（如催化剂取样位置、取样时间、脱硝系统累计运行时间等）以及催化剂活性、SO2/SO3转化率等等，将运行人员手工录入与管理系统采集模块获取的数据整合，再经过应用服务器中深度学习智能算法进行相关计算，计算结果及录入信息都存储在服务器的数据库，系统平台向客户端用户提供录入、查询、显示报警及换装指导等信息。通过Web网页浏览的方式，随时查看催化剂的情况、催化剂是否满足运行要求及历史换装情况等等信息，具有权限的管理人员可对平台进行维护。

催化剂全寿命预测可以保证电厂经济环保可靠运行。催化剂管理系统提供的工艺性能指标随时间变化的曲线，反映出脱硝系统核心指标是否存在超标，其中工艺性能指标包含脱硝效率、氨逃逸浓度、SO2/SO3转化率、反应器潜能及催化剂的活指标。通过对脱硝效率和氨逃逸浓度这两个指标的监控，保证氮氧化物浓度排放不超标；通过对氨逃逸浓度、SO2/SO3转化率、催化剂压降等指标预测，对产生的硫酸氢铵及积灰在催化剂孔道和空气预热器表面的沉积情况进行预警，提醒运行人员及时采取相应措施，保证系统稳定正常运行，从安全方面，降低了由于空气预热器严重堵塞而引起的机组非停，保证机组连续可靠的运行；从经济方面，适当增长了催化剂的使用寿命，降低催化剂再生或换装的成本。

5.结束语

本文通过对催化剂的运行管理、性能检测、脱硝反应器潜能、催化剂管理系统的设计等方面说明了脱硝催化剂的性能评估和寿命管理。脱硝催化剂的性能评估与寿命管理系统开发的目的是积累催化剂的相关运行数据，建立催化剂特性数据库，最终达到利用脱硝催化剂性能评估与寿命管理系统指导电厂进行脱硝系统的优化运行、催化剂的管理和维护的目的。