某火电厂SCR催化剂不同服役阶段脱硝性能试验及研究

刘智湘 肖芝 聂辉文

摘 要：【目的】某1 000 WM燃煤火力发电厂SCR脱硝系统采用蜂窝状催化剂。为把握随着催化剂服役时间增加相关脱硝性能参数的变化规律，对脱硝系统多次进行现场试验。【方法】试验采用专业仪器设备对脱硝系统烟气流速、脱硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3转化率等性能参数进行测量分析。【结果】随着催化剂服役时间的增加，脱硝效率会明显降低，氨逃逸率有一定程度的增大，空气预热器处会生成硫酸氢铵等有害物质，造成堵塞。【结论】随着服役时间的增加，催化剂会因为飞灰冲刷、堆积及重金属中毒等导致活性下降，催化剂局部区域积灰较多，空气预热器堵塞情况严重，需要及时对催化剂进行更新或者再生处理，提高催化剂活性，保证脱硝系统安全经济运行。

关键词：SCR脱硝系统；脱硝效率；催化剂活性

中图分类号：X773                 文献标志码：A                  文章编号：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，也是造成光化学烟雾、雾霾等现象的主要原因。我国的能源结构以煤为主，煤炭的消费占到能源消费总量的70%以上［1］，其中火力发电厂的燃煤消费占煤炭消耗量的50%。据统计，2017年底，工业源氮氧化物排放量为645.90万t，仅电力、热力生产和供应业的排放量就高达169.24万t，占工业氮氧化物排放量的26.20%［2］。同比其他国家和地区，我国NO排放总量较大，其中电厂的排放量占到NOx排放总量的43%。由此看来，控制好燃煤火电厂NOx排放量是减少NOx污染的关键。

选择性催化还原（SCR）脱硝技术是指在催化剂和氧气存在的条件下，在一定的温度范围内（一般为300～420 ℃），NH3作为还原剂选择性地将烟气中的NOx还原成对环境无害的N2和H2O的技术。日本电站锅炉首先对该技术进行现场应用，后续随着该技术的逐步成熟及高效的NOx脱除率（高达95%），SCR技术广泛应用于全世界，SCR技术在我国火电厂燃煤机组上应用最为广泛，已成为目前燃煤电厂选择的最主要的脱硝技术手段［3］。

催化剂被认为是SCR脱硝系统的核心装置，其前期投资占整个SCR系统的30%～50%左右，且催化剂运行3～5年后需要更换、再生等处理，耗费成本高。催化剂在使用一段时间后，活性会下降，从而影响NOx的脱除效率和氨逃逸的增加等，因此对催化剂活性情况的及时把握显得尤为重要［4］。

本研究以某1 000 MW火电厂2#燃煤机组SCR脱硝系统蜂窝式催化剂为研究对象，在该催化剂服役0.5年、2年、5年后分别进行脱硝性能试验，研究相关性能参数变化规律，分析催化剂性能下降的原因，对脱硝系统的运行提出参考性建议，并为催化剂后续的更换再生管理提供依据。

1 试验方法

脱硝性能试验主要是对电厂安装运行SCR脱硝系统一段时间后，通过专业测试仪器对SCR系统进出口处烟气温度、流速分布、烟气量、脱硝率、氨逃逸、SO2 /SO3转化率、系统阻力等脱硝性能参数进行现场试验。

试验通过专业试验长枪插入取样口，运用网格法对相关性能参数进行测量，省煤器出口处作为SCR脱硝系统的入口测量点，空气预热器进口处为SCR脱硝系统的出口测量点，具体如图1所示。反应器有A和B两侧，每一侧入口和出口处各有9个均匀分布的测量孔，每个孔内有2～3个测点，测点深度相差1.5 m左右。反应器测点示意如图2和图3所示，测点网格布置如图4和图5所示。

NOx的测量仪器通常为红外NOx分析仪，O2的测量仪器通常为顺磁氧量计。通过对NOx和O2的同时测量，将NOx的数据换算为6% O2基准的数据，并按以下内容对数据进行分析。

反应器入口NOx平均值表示为式（1）。

[x=1ni=1nxi] （1）

式中：[x]为NOx平均值；xi为某一测点值；n为测点数。

反應器出口NOx标准偏差、相对标准偏差计算分别见式（2）和式（3）。

[σn-1=1n-1i=1nxi-x2] （2）

[νk=σn-1x×100%] （3）

式中：[σn-1]为NOx的标准偏差；[νk]为NOx的相对标准偏差。

SCR反应器脱硝效率计算见式（4）。

[η=NOx入口平均-NOx出口平均NOx入口平均×100%] （4）

SO2 /SO3转化率通过测量SCR反应器进口的SO2、SO3和出口的SO3得到，SO2 /SO3转化率的计算公式见式（5）。

SO2 /SO3转化率=

[SO3出口平均-SO3进口平均SO2进口平均] （5）

此外，对于NH3的测量，现场采用专门设备取样品送回实验室进行分析，掌握氨的逃逸情况。

2 试验结果与分析

试验对象为广东省某1 000 MW燃煤火电厂，在SCR脱硝系统蜂窝式催化剂不同服役时间后分别进行脱硝性能试验，获取试验参数并进行对比，分析关键性能参数的变化规律。试验条件基本概况见表1。

2.1 入口烟气温度分布

反应器进口烟气分布见表2。从表2对反应器入口温度的测量数据来看，整体温度场分布比较均匀，最大相对标准偏差为1.6，标准偏差基本都在4 ℃范围内。此外，入口温度场最大温度值为372.2 ℃，最小温度值为348.3 ℃，且每一次试验的平均烟气温度值接近，这能够保证SCR脱硝反应催化剂在一个高活性且平稳的反应区域，保证脱硝反应高效率进行。从表2中可以看出，反应器最高温度没有超过373 ℃，这样能避免催化剂因高温烧结而导致活性下降。

2.2 入口烟气流速分布

从表3中可以看出，进口烟气流速分布情况一般，相对标准偏差在9.2～17.2范围内，其中烟气最大流速为23.56 m/s，最小流速为13.12 m/s。入口烟气流速分布不均匀，对催化反应不利，其中低速流场区因为烟气流速过低容易导致灰尘沉淀堆积，堵塞催化剂表面；而烟气速度过高的区域，容易造成灰尘对催化剂冲蚀，且气体在催化剂表面停留时间过短，不利于催化反应的完整进行。随着催化剂服役时间的增加，其入口烟气流速分布均匀性越来越差，这也要求在后续检修期间，需要对SCR脱硝系统入口流场处进一步优化，保证入口烟气流场的均匀性。

2.3 进出口NO分布及脱硝效率

对SCR反应器入口和出口的NO分布情况进行试验测量，从表4测量数据看，反应器入口NO分布比较均匀，相对标准偏差在5%以内。但是出口的NO分布不均匀，最大相对偏差达到25%左右，这可能是NO在反应器内与NH3混合不均匀造成的，也有可能是局部区域催化剂积灰、中毒等导致该区域NO没有反应完全，从而直接导致出口NO分布的不均匀性。此外，可以明显看出随着服役时间的增加，脱硝效率从80.42%降低到61.58%，这表明催化剂活性有明显下降，在后期维护检修中需要及时对催化剂进行吹灰清扫或者再生和更换的管理，以提高催化剂活性，保证脱硝反应的高效进行。该发电厂检修期间，催化剂安装层飞灰堆积的现场照片如图6所示。

2.4 氨逃逸及SO2转化率

对NO进行还原的主要气体是NH3，当喷射进入烟道的NH3与NO充分混合时，有利于脱硝反应的高效进行。此外，部分SO2被氧化成SO3，但是转化率相对较低，在0.5%范围内。从表5可以看出，氨逃逸的现象不可避免，逃逸的NH3会在空气预热器处与烟气中的酸性气体SO3反应生成NH4HSO4和（NH4）2SO4，这两种物质都有很强的黏性和腐蚀性，会在空气预热器表面黏结，甚至黏结烟气中的灰尘，造成空预器的堵塞和腐蚀，并且进一步加大烟气的流动阻力。某电厂空预器的堵塞、腐蚀现场照片如图7所示。

3 结论

①反应器入口烟气流场分布偏差较大，容易造成反应器内催化剂的局部积灰或冲蚀，在后续停机检修中需要对入口流场进一步优化。

②反应器出口NO分布不均匀，可能是反应器内NH3和NO混合不均匀，或者局部地区催化剂因积灰、中毒等导致失活。建议后续对喷氨装置进一步优化，以及对催化剂积灰等情况进行清扫处理。

③蜂窝状催化剂随着服役时间的增加，脱硝效率下降明显，从80.42%降低到61.58%，催化剂活性下降明显。

④氨气逃逸的情况一直存在，随着催化剂服役时间的增加，氨逃逸量也明显增加，这也表明脱硝反应具有不完全性，且氨气在空气预热器中会生成硫酸氢铵等黏性物质，堵塞和腐蚀空气预热器，并提高烟气流动的阻力。

⑤随着催化剂服役时间的增加，催化剂活性下降明显，需要考虑现场取样对其活性进行具体检测，并对失活的催化剂进行再生和更换管理，保证SCR系统的高效运行。

⑥催化剂不同服役时间后的现场性能试验，为该电厂SCR系统的安全经济运行提供了宝贵的现场依据。

参考文献：

［1］谭青，冯雅晨.我国烟气脱硝行业现状与前景及SCR脱硝催化剂的研究进展［J］.化工进展，2011，30（S1）：709-713.

［2］王军霞，李曼，敬红，等.我国氮氧化物排放治理状况分析及建议［J］.环境保护，2020，48（18）：24-27.

［3］陈进生.燃煤电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法［M］.北京：中国电力出版社，2008.

［4］刘智湘. 在役SCR催化剂活性及动力学参数研究［D］.广州：华南理工大学，2013.