燃煤电站SCR催化剂寿命在线预测研究

胡小夫，王云，郝正，沈建永，王桦

（中国华电科工集团有限公司，北京100070）

0 引言

火电机组在燃煤发电过程中产生的氮氧化合物（NOx）会给环境和人类健康带来严重的不良影响，为此国家要求严格控制NOx的排放量。为了达到超低排放要求，火电厂在燃煤机组的尾端安装烟气脱硝装置，其中选择性催化还原技术（SCR）是目前控制NOx排放的主流技术。催化剂作为SCR 脱硝系统的核心，其性能对系统的脱硝效率有直接影响，但在运行过程中催化剂会缓慢失活，催化剂的寿命决定着脱硝系统的运行成本［1-7］。

催化剂的化学寿命是指在催化剂活性能够满足SCR 系统脱硝效率不低于85%、氨逃逸率不高于2.3 mg∕L 和SO2∕SO3转化率小于1%时的寿命，研究发现SCR脱硝催化剂化学寿命约为24 000 h［8-9］。通过对SCR 脱硝催化剂的寿命进行预测，能够准确掌握催化剂的失活程度和剩余使用寿命，使电厂及时了解催化剂的使用状态，并及时提出催化剂的更换或加装方案，有利于保证SCR 脱硝系统高效、经济、稳定运行［10-11］。

传统SCR 催化剂寿命管理模型为了简化计算过程，一般将氨氮摩尔比（ri）等于1作为假设条件进行模拟计算，但这与电厂实际运行情况不符，会对催化剂寿命预测造成误差［12］。为了使催化剂寿命管理模型更加精确，本论文以燃煤电站实际运行情况为基础，根据反应期间氨氮摩尔比（γi）的变化情况，提出了SCR 脱硝催化剂寿命在线评估方法；通过对江苏某电厂#7机组SCR催化剂物化性能和部分运行数据进行分析，再根据催化剂寿命在线评估方法对此催化剂的寿命进行在线预测，指出该催化剂的失活时间，并结合2019年催化剂的检测数据对该方法的准确性进行了验证。

1 研究对象及评价方法

1.1 SCR脱硝催化剂

江苏某电厂#7机组装机容量为330 MW，该机组的SCR 脱硝系统包括2层由浙江某公司生产的蜂窝式SCR 催化剂，2013 年投入使用；2017 年新加装1层由青岛某公司生产的蜂窝式SCR 催化剂，采取“2+1”安装模式。2014—2019 年该电厂每年对催化剂的性能进行取样检测。

1.2 催化剂寿命在线评价方法

1.2.1 催化剂活性模型

催化剂活性（Ki）用于衡量催化剂在特定烟气温度和流量条件下对NOx的处理能力。SCR 脱硝催化剂活性指标是指导脱硝系统运行优化调整的基础，也是催化剂寿命预测与换装管理的依据。每层催化剂在现场实际运行环境中的脱硝效率可用式（1）表示，根据脱硝效率（ηi）建立ηi和Ki之间的函数关系［13-14］。

式中：Ki是第i层催化剂单元的活性，m∕h（标态）；AVi是烟气流经第i层催化剂的面速度，m∕h（标态）；γi为第i 层催化剂进口的氨氮摩尔比；ηi为第i 层催化剂的脱硝效率。

1.2.2 催化剂失活模型

反应初SCR 脱硝催化剂初始活性视为1，随着反应时间的延长催化剂活性逐渐下降。根据催化剂整体失活特性，其失活方程一般具有指数型特征，方程为

式中：K0是初始活性，m∕h；t为催化剂的投运时间，h；Q为催化剂的失活速率，m∕h。

1.2.3 催化剂寿命在线预测方法

文献［15］介绍了在现场运行环境下将2次最近的催化剂活性检测试验点相连接得到催化剂失活曲线，该失活曲线为直线。在此基础上，我们对失活曲线进行了修正，根据SCR 催化剂活性模型ηi和Ki之间的函数关系将ηi值转换成Ki值，再根据催化剂失活模型Ki和t 之间的函数关系，求得一定时间区间内的催化剂平均失活速率常数Q，构建出催化剂失活曲线。

2 结果与讨论

2.1 催化剂的物化性能

2013—2019 年第1 层催化剂和第2 层催化剂（原第1 层）BET 比表面积（以下简称“比表面积”）变化趋势如图1 所示。由图1 可知，随着催化剂服役时间的增加，第1 层催化剂和第2 层催化剂的比表面积都逐渐降低。第1层催化剂比表面积由新鲜催化剂的45.90 m2∕g 运行1 年后（2018 年）下降至45.40 m2∕g，下降幅度约1.09%，运行2 年后（2019年）下降至44.90 m2∕g，下降幅度约2.18%；第2层催化剂比表面积由新鲜催化剂的59.29 m2∕g 运行1 年后（2014 年）下 降 至52.06 m2∕g，下 降 幅 度 约12.19%，运行2 年后（2015 年）下降至48.09 m2∕g，下降幅度约18.89%。催化剂的比表面积下降主要是由催化剂堵塞或催化剂烧结等原因造成的，运行2年后第1层催化剂比表面积的下降幅度要远小于第2层催化剂的下降幅度，说明第1层催化剂的抗烧结和抗堵塞的能力要优于第2层催化剂。

图1 2013—2019年第1层和第2层催化剂变化趋势Fig.1 Change trend of the first and second layer catalysts from 2013 to 2019

2019 年第1 层和第2 层SCR 脱硝催化剂样品外观如图2 所示。由图2a 可知，第1 层SCR 催化剂运行2 年后，外观基本良好，略有堵孔现象，内壁未受到明显磨损，孔道结构也未严重破损，说明此催化剂具有较好的耐磨性能；由图2b 可知，第2 层SCR催化剂运行6年后，外观有裂痕破损明显，内壁受到磨损，孔道结构也严重破损，可能需要及时对催化剂进行再生或更换处理。

图2 2019年第1层和第2层SCR脱硝催化剂样品外观Fig.2 Appearance of SCR denitration catalyst samples on the first and second layer in 2019

2013—2019 年SCR 催化剂脱硝性能检测结果见表1。由表1可知，运行1年后（2014年）催化剂活性K1为36.92 m∕h，活性比值（K1∕K0）为0.961 2；运行2 年后（2015 年）催化剂活性K2为35.74 m∕h，活性比值（K2∕K0）为0.930 5；增加1 层催化剂后（2017 年）催化剂活性K01恢复至41.51 m∕h，再运行2 年后（2019年）催化剂活性K3为34.26 m∕h，活性比值（K3∕K01）为0.825 3。增加1 层催化剂后运行2 年的活性比值（K3∕K01）比2层催化剂运行2年的活性比值（K2∕K0）减小11.31%，这说明增加1 层催化剂后虽然能提高催化剂的活性，但随着运行时间的增加，催化剂的活性下降速率较快。

表1 2013—2019年SCR催化剂脱硝性能检测结果Tab.1 Denitration performance test results of SCR catalyst from 2013 to 2019

2.2 催化剂寿命在线预测结果

根据上述催化剂寿命在线评价方法，对江苏某电厂#7 机组A 侧SCR 脱硝系统催化剂2018 年1—9月的相关运行数据进行分析，获得催化剂的失活曲线a，失活曲线a 的方程为Ki=41.5e－0.12t，t 为采样时间。根据失活曲线绘制SCR催化剂的活性K随时间变化的趋势图如图3所示。

由图3可知，随着催化剂使用时间的延长，其催化活性逐渐降低。当催化剂脱硝效率降至85.00%，氨逃逸率为2.3 mg∕L 时，不能满足电厂的超低排放要求，需要对催化剂进行更换或再生，此时催化剂的活性K 降至31.27 m∕h（标态），t1对应的时间约为2020 年6 月，此时间为催化剂化学寿命的极限值。

因此，通过收集SCR 脱硝系统的在线运行数据，可以对SCR 催化剂的寿命进行在线预测，有利于电厂了解催化剂的状态，及时提出催化剂的置换计划，确保SCR脱硝系统高效、经济、稳定地运行。

图3 SCR催化剂寿命在线预测示意Fig.3 Schematic diagram of SCR catalyst life cycle on⁃line prediction

2.3 催化剂活性变化趋势及在线预测验证

2.3.1 催化剂活性变化趋势

根据2013—2016 年催化剂的检测数据，得到催化剂的失活曲线b，失活曲线b 的方程为Ki= 38.41 e－0.041t，根据失活曲线b绘制2014—2016年SCR 催化剂的活性K 随时间变化的趋势图；再根据2.2 节的介绍（曲线a），共同绘制出2014—2021 年SCR 催化剂活性变化趋势图（如图4 所示）。由图4 曲线b 可以看出，2014—2016 年随着催化剂使用时间的延长催化剂活性逐渐降低，在2017 年1 月时催化剂活性K 降低至33.96 m∕h（标态），活性比值（K∕K0）为0.884 1。

为了提高系统脱硝效率，2017 年电厂新增1 层催化剂，使系统催化剂活性K01恢复至41.51 m∕h。2018—2021 年SCR 催化剂活性K 随时间变化趋势如曲线a 所示，随着催化剂使用时间的延长催化剂活性也逐渐降低。比较曲线a 和b，可知曲线a 的失活速率要大于曲线b，这说明增加1层催化剂后虽然能提高催化剂的活性，但催化剂本身更容易失活。这可能是由于第2 层和第3 层催化剂一直未更换，这2 层催化剂的运行时间过长，使得催化剂本身磨损变形严重（见图2b），在服役期间导致催化剂整体活性更易降低。

2.3.2 催化剂寿命在线预测验证

2019年8月该电厂委托第三方对催化剂性能进行检测，检测结果表明：当氨逃逸率为2.3 mg∕L，SCR催化剂的整体脱硝活性为87.50%，此时对应的催化剂的活性K为34.28 m∕h。

根据SCR 催化剂寿命在线预测曲线（见图4 中曲线a），当催化剂的活性K为34.28 m∕h（标态）时，t2对应的时间约为2019 年6—7 月，与电厂2019 年第三方检测时间（2019 年8 月）基本一致，这说明本文提出的催化剂寿命在线预测方法基本准确，该预测方法可在各电厂中推广使用。

当催化剂脱硝效率降至85%时，催化剂的活性K 降至31.27 m∕h（标态），对应的时间为约2020 年6月，此时间可能需要对催化剂进行更换或再生处理。

图4 SCR催化剂活性随时间变化趋势Fig.4 Variation trend of SCR catalyst activity

3 结束语

研究SCR 催化剂的寿命预测方法，使电厂及时掌握催化剂的失活程度和剩余使用寿命，有利于提高SCR系统的经济性和稳定性。

本文根据SCR 脱硝系统反应期间氨氮摩尔比的实际变化情况，结合催化剂活性模型和催化剂失活模型，提出了SCR 催化剂寿命在线评估方法；通过对SCR 催化剂的物化性能和在线运行数据进行分析，绘制出SCR 催化剂的寿命在线预测曲线，并结合年检数据验证了所建的SCR 催化剂寿命在线预测系统具有较高的准确性，因此本文提出的SCR催化剂寿命在线预测方法可以在各电厂中广泛推广使用。