燃煤电厂SCR脱硝催化剂性能检测与寿命管理

吴国潮，刘长东，薛东武，潘美华，赵会民

(1.浙江省能源集团有限公司，浙江杭州　310007； 2.浙江浙能催化剂技术有限公司，浙江宁波　315612)



燃煤电厂SCR脱硝催化剂性能检测与寿命管理

吴国潮1，刘长东2，薛东武2，潘美华2，赵会民2

(1.浙江省能源集团有限公司，浙江杭州310007； 2.浙江浙能催化剂技术有限公司，浙江宁波315612)

SCR脱硝催化剂性能检测是催化剂寿命管理中的一项核心工作。对某燃煤电厂SCR脱硝催化剂的外观、比表面积、晶体结构、脱硝活性、SO2/SO3转化率等进行检测，结果表明，经过15 481小时运行后，催化剂外观未受到严重损坏，TiO2载体的晶相结构未发生转变，比表面积和孔容有所下降。催化剂活性和SO2/SO3转化率有所下降，预期催化剂的使用寿命可以达到27 000小时。

SCR；性能；催化剂管理；脱硝活性；燃煤电厂

氮氧化物(NOx)作为燃煤电厂排放的主要污染物之一，给环境和人类健康带来了严重的不良影响。选择性催化还原(SCR)脱硝技术由于高效可靠，是当前控制烟气NOx排放的主流工艺技术[1-5]。“十二五”以来，随着国家对火电厂环保要求的日益提高，针对电厂NOx排放标准提出了新要求，SCR脱硝技术在国内燃煤电厂中得到广泛应用。

脱硝系统的关键部件——SCR脱硝催化剂[6]，其性能对脱硝系统的脱硝效率和氨逃逸率具有关键性影响。随着SCR脱硝设备投运时间的增加，由于热力烧结、碱(土)金属中毒、砷中毒、活性组分流失、粉尘堵塞等原因，SCR脱硝催化剂性能会逐渐降低[7-10]。因此需对催化剂进行有效管理来确保燃煤电厂脱硝系统安全、持续、高效、经济运行。性能检测是SCR脱硝催化剂寿命管理工作中的核心内容，是对催化剂进行管理的依据。然而烟气脱硝在国内尚属新兴环保领域，运行经验不足，电厂对催化剂性能评价缺乏相应的经验和理论依据[11-12]。

本文以国内某燃煤电厂600 MW机组的SCR脱硝系统在役催化剂(美国Cormetech公司产品)为研究对象，对催化剂外观、微观性能、脱硝活性、SO2/SO3转化率等进行了系统检测，并结合初始活性K0值，预测了该催化剂的剩余寿命，以期为SCR脱硝催化剂寿命周期内的运行管理提供指导。

1　实验

1.1SCR催化剂样品

国内某燃煤电厂装机容量为600 MW，脱硝系统包括两层22孔蜂窝式SCR催化剂，设计脱硝效率为80%，氨逃逸小于3 ppm(干基，6% O2)，该系统于2012年11月投入使用。在运行15 481小时后，从SCR反应器内每层催化剂中各取出一条样品单元用于性能检测。

1.2催化剂活性评价

活性K根据下式计算：

式中，AV为烟气的面速度，Nm/h；η为脱硝效率，%。

1.3催化剂的表征

SCR脱硝催化剂样品的晶体结构在美国Thermo公司 ARL SCINTAG X′ TRA 型X射线粉末衍射仪上进行分析，以Cu靶Kα为辐射源(管电压管电流分别为45 kV、40 mA)，5°/min的速率进行扫描测试。样品的比表面积和孔容采用美国Quantachrome公司NOVA-4000e型物理吸附仪测试。

2　结果与讨论

2.1催化剂外观

对催化剂样品外观结构进行了观察，催化剂样品的外观如图1所示。由图1可以看出SCR催化剂经过15481小时运行后，外观基本良好，内壁未受到烟气显著磨损，孔道结构也未发生严重破损，说明该催化剂具有良好的耐磨性能。此外，中心孔道未发生堵塞，堵塞主要出现在催化剂边角上，这是由于取样筒三角挡板挡住了烟气流通而造成的。

图1　SCR脱硝催化剂样品的外观图Fig.1　The appearance of the SCR denitration catalyst samples

2.2XRD结果

图2为新鲜催化剂和经15 481小时运行后的催化剂样品的XRD谱图。由图2可见，新鲜催化剂与在役催化剂衍射峰位置基本重合，结合国际标准粉末衍射(PDF)卡片可知，为锐钛矿型TiO2的衍射峰。说明催化剂经过15 481小时运行，TiO2载体未发生晶相结构的转变，仍然保持了良好的锐钛矿晶型。另外XRD图谱中未出现WO3和V2O5衍射峰，表明WO3和V2O5仍高度分散，未发生显著的聚集现象[2,13]。

图2　SCR脱硝催化剂样品的XRD图谱Fig.2　The XRD patterns of the SCR denitration catalyst samples

2.3比表面积

表1为SCR脱硝催化剂样品的比表面积和孔容。由表1可见，催化剂经过15 481小时运行后比表面积和孔容均出现下降趋势。这可能是在运行过程中催化剂发生一定程度的烧结团聚和烟气中飞灰堵塞催化剂微孔引起的[4, 14]。

表1SCR脱硝催化剂样品的比表面积和孔容

Table 1The specific surface area and pore volume of the SCR denitration catalyst samples

催化剂比表面积/(m2/g)孔容/(cm3/g)新鲜催化剂52.40.26在役催化剂46.40.23

2.4催化剂活性K和SO2/SO3转化率

2.4.1浙能催化剂公司中试系统简介

活性K和SO2/SO3转化率是SCR脱硝催化剂性能中最重要的指标。目前国内外测试脱硝催化剂性能的装置主要有两类，一类是小型评价装置，另外一类是全尺寸SCR脱硝催化剂性能检测系统即中试系统。两种SCR脱硝催化剂性能检测装置区别见表2。同小型评价装置相比，中试系统因能精确模拟电厂的实际烟气条件，进而更准确的测量催化剂性能，因而受到行业内专家的推崇[15]。

浙江浙能催化剂技术有限公司从美国Cormetech公司引进了具有世界领先水平的检测工艺和技术的中试系统，该系统有如下特点：(1)由于测试样品具有完整的尺寸，因此可以模拟电厂真实的烟气情况，包括烟气流量、组成、温度、氨氮摩尔比等；(2)关键设备烟气发生器采用进口，可有效保证烟气条件稳定可靠；(3)反应器催化剂床层采用3+1设计，最多可以满足4层催化剂性能的评价。

2.4.2结果与寿命预测

该机组SCR脱硝催运行15 481小时后，取出催化剂测试样条并在中试系统中进行了性能评价，催化剂活性和SO2/SO3转化率结果见表3，活性变化趋势图如图3所示。由表3可以看出催化剂经过15 481小时运行后，活性K和SO2/SO3转化率都有一定程度的降低，这主要是由于催化剂比表面积降低、飞灰微量元素的毒害、活性组分的流失等造成的[10]。通过对该催化剂活性K和初始催化剂活性K0进行比较，相对活性(K/K0)由初始的1.0降低到0.85；SO2/SO3转化率则降低了17.7%。

表2两种SCR脱硝催化剂性能检测装置区别

Table 2The difference between two performance testing devices for SCR denitration catalysts

项目小型评价装置中试系统测试样品尺寸3×3～5×5孔完整的催化剂烟气来源配气法配气法或燃烧法测试条件不完全模拟实际烟气完全模拟实际烟气

表3SCR脱硝催化剂活性和SO2/SO3转化率结果

Table 3The activity and conversion rate of SO2/SO3of the SCR denitration catalysts

催化剂活性K/(Nm/h)SO2/SO3转化率/%新鲜催化剂42.90.62运行催化剂36.50.51

图3　SCR脱硝催化剂的活性变化趋势图Fig.3　The changing trend of activity in the SCR denitration catalysts

在保证80%脱硝率及3 ppm的氨逃逸率基础上，结合活性衰减趋势可以对该SCR脱硝催化剂寿命进行预测。基于本次活性检测结果，催化剂的使用寿命预期可以达到27 000小时。

3　结语

本文在国内某燃煤电厂脱硝催化剂性能检测的基础上研究，得出以下结论：(1)国内某燃煤电厂SCR脱硝系统经过15 481小时运行后，催化剂外观结构未受到显著损坏，说明催化剂具有良好的耐磨性能。(2)催化剂载体TiO2的锐钛矿型晶相结构未发生转变，比表面积和孔容有所下降。(3)催化剂活性和SO2/SO3转化率有所下降，在保证80%脱硝率及3 ppm的氨逃逸率基础上预期催化剂的使用寿命可以达到27 000小时。随着SCR脱硝催化剂在国内燃煤电厂的广泛应用，SCR催化剂的管理工作将日益受到重视，本文可为国内燃煤电厂SCR脱硝催化剂寿命周期内的运行管理提供借鉴。

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Performance Test and Lifetime Management of SCR Denitration Catalyst in a Coal-Fired Power Plant

WU Guo-chao1, LIU Chang-dong2, XUE Dong-wu2, PAN Mei-hua2, ZHAO Hui-min2

(1. Zhejiang Energy Group, Hangzhou 310007, China; 2. Zhejiang Zheneng Catalyst Technology Co., Ltd., Ningbo 315612, China)

The performance test of SCR denitration catalyst is a core task in catalyst lifetime management. In this paper, the performance of SCR catalysts in a coal-fired power plant was tested from the aspects of appearance, specific surface area, crystal structure, denitration activity, and conversion rate of SO2/SO3. The results indicated that the appearance was not seriously damaged, the crystal structure of TiO2didn’t change, and specific surface area, pore volume, denitration activity and conversion rate of SO2/SO3decreased after 15 481 hours of operation time. The lifetime of SCR catalysts is expected to be up to 27 000 hours.

SCR; performance; catalyst management; denitration activity; coal-fired power plant

2016-07-14

吴国潮(1956—)，男，浙江绍兴人，高级工程师，硕士，主要研究方向为能源管理，E-mail：wugc@zhenergy.com.cn

10.14068/j.ceia.2016.05.019

X701

A

2095-6444(2016)05-0073-03