摘要:介紹了湖南華電長沙發(fā)電公司脫銷系統(tǒng)運(yùn)行概況、 催化劑使用壽命的概念及其意義。通過對脫硝效率主要影響因素 ,尤其是催化劑有關(guān)參數(shù)的深入分析 ,從脫銷系統(tǒng)催化劑反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化、 運(yùn)行優(yōu)化、 維修檢查以及吹灰控制對延長催化劑使用壽命等方面進(jìn)行了探討 ,為其他電廠脫銷系統(tǒng)運(yùn)行、 降低脫硝系統(tǒng)維護(hù)和運(yùn)行成本提供參考。

關(guān)鍵詞:脫硝效率,催化劑,使用壽命,措施

0　引言

目前, 90%以上人為排放的氮氧化物(NOx )來自于礦物燃料(如煤、石油、天然氣等)的燃燒過程。隨著中國電力工業(yè)的飛速發(fā)展,來自火電系統(tǒng)的 NOx 污染不斷加劇,控制氮氧化物的排放已經(jīng)成為電力環(huán)保行業(yè)的重點(diǎn)。2004 年國家開始實(shí)施新的大氣排放標(biāo)準(zhǔn),對火電廠NOx 排放要求有了大幅度的提高。按照GB 13223—2003《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求,火電廠排放煙氣中NOx 的質(zhì)量濃度必須小于450mg/m3。

湖南華電長沙發(fā)電有限公司是我國首批新建機(jī)組中同步投入脫硫、脫硝系統(tǒng)的電廠,每天單臺機(jī)組的脫硝運(yùn)行成本約1. 7 萬元,年均500 萬元以上。此外,根據(jù)廠家說明書,催化劑置換或更新造成的折舊損失,每年高達(dá)1 000多萬元。催化劑置換費(fèi)用約占系統(tǒng)總價的60% ～70%。影響催化劑折舊成本的重要因素之一是其使用壽命;目前催化劑的壽命一般為3～5年(廠家給定) 。如何在保證SCR脫硝效率前提下延長催化劑的使用壽命,減少發(fā)電企業(yè)運(yùn)行成本,在當(dāng)前各發(fā)電企業(yè)經(jīng)營上舉步維艱的特別時期,具有現(xiàn)實(shí)的社會和經(jīng)濟(jì)意義。電廠可在運(yùn)行、操作和維護(hù)方面采取必要的措施來延長催化劑使用壽命。

1　脫硝系統(tǒng)運(yùn)行情況及催化劑使用壽命

湖南華電長沙發(fā)電有限公司脫硝系統(tǒng)是由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司設(shè)計制造,采取選擇性催化還原( SCR)法達(dá)到去除煙氣中NOx 的目的。SCR 反應(yīng)器采用高灰布置,設(shè)計脫硝效率85%,初期裝入的催化劑按50%脫硝效率實(shí)施SCR技術(shù),采用氨作為還原劑。

湖南華電長沙發(fā)電有限公司2臺脫硝機(jī)組脫硝性能試驗(yàn)已經(jīng)完成,脫硝裝置投入正常,系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn),脫硝效率達(dá)到設(shè)計值( 53%以上) ;按設(shè)計煤種燃燒工況,每年可以減少NOx 排放量2 100多t。氨逃逸率、SO2 /SO3 轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)阻力損失和氨耗量等考核性能指標(biāo),用煙氣溫度、煙氣流量及入口SO2 濃度修正后考核合格。由于煤炭市場供應(yīng)形勢所限, 實(shí)際燃用煤種偏離設(shè)計值較大(特別是硫分和灰分明顯偏高) ,為保證脫硝效率,對SCR系統(tǒng)催化劑的運(yùn)行維護(hù)提出了更高的要求。

工程上計算催化劑的使用壽命,一般從脫硝裝置投入商業(yè)運(yùn)行開始到更換或加裝新的催化劑為止,把催化劑的運(yùn)行小時數(shù)作為催化劑化學(xué)使用壽命(NOx 脫除率不低于性能保證要求,氨的逃逸率不高于0. 000 3% ) 。

湖南華電長沙發(fā)電有限公司SCR脫硝系統(tǒng)催化劑設(shè)計要求在鍋爐B - MCR 工況下保證催化劑的化學(xué)壽命不少于24 000 h,按機(jī)組每年利用小時數(shù)在5 000～6 000 h計算,其壽命應(yīng)該為4～5年。在設(shè)計壽命后期,隨著脫硝效率的下降,應(yīng)該進(jìn)行催化劑的置換、部分或整體更換,如果SCR系統(tǒng)運(yùn)行使用、維護(hù)不夠合理將使催化劑提前失效,進(jìn)一步增加催化劑的折舊成本。

2　影響脫硝效率的主要因素

SCR系統(tǒng)影響脫硝效率的主要因素包括煙氣的溫度、飛灰特性和顆粒尺寸、煙氣流量、中毒反應(yīng)、 NOx 的脫除率、物質(zhì)的量比n (NH3 ) /n (NOx ) 、煙氣中SOx 的濃度、壓降、催化劑的結(jié)構(gòu)類型和用量等。

2. 1　反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度對脫硝率有較大的影響,從廠家給出的反應(yīng)曲線(如圖1所示)可以看出,在300～400 ℃ 內(nèi)(對中溫觸媒) ,隨著反應(yīng)溫度的升高,脫硝率逐漸增加,升至400 ℃時,達(dá)到最大值( 90% ) ,隨后脫硝率隨溫度的升高而下降。這主要是由于在SCR 過程中溫度的影響存在2種趨勢:一方面溫度升高時脫硝反應(yīng)速率增加,脫硝率升高;另一方面隨溫度升高,NH3 氧化反應(yīng)加劇,使脫硝率下降。因此,最佳溫度是這2種趨勢對立統(tǒng)一的結(jié)果。

脫硝反應(yīng)一般在310～430 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行,此時催化劑活性最大,所以,將SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間。

必須注意的是,催化劑能夠長期承受的溫度不得高于430 ℃,短期承受的溫度不得高于450 ℃,超過該限值,會導(dǎo)致催化劑燒結(jié)。

2. 2　物質(zhì)的量比n (NH3 ) / n (NOx )的影響

物質(zhì)的量比n (NH3 ) / n (NOx )對脫硝效率的影響如圖2所示(由廠家提供) 。

在300 ℃下,脫硝率隨物質(zhì)的量比n (NH3 ) /n (NOx )的增加而增加,物質(zhì)的量比n (NH3 ) / n (NOx ) 小于0. 8時,其影響更明顯,幾乎呈線性正比關(guān)系。該結(jié)果說明:若NH3 投入量偏低,脫硝率受到限制; 若NH3 投入量超過需要量,NH3 氧化等副反應(yīng)的反應(yīng)速率將增大,如SO2 氧化生成SO3 ,在低溫條件下 SO3 與過量的氨反應(yīng)生成NH4HSO4。NH4HSO4 會附著在催化劑或空預(yù)器冷段換熱元件表面上,導(dǎo)致脫硝效率降低或空預(yù)器堵塞。

氨的過量和逃逸取決于物質(zhì)的量比n (NH3 ) / n (NOx )、工況條件和催化劑的活性用量(工程設(shè)計氨逃逸不大于0. 0003%, SO2 氧化生成SO3 的轉(zhuǎn)化率≤1%)。氨的逃逸率增加,在降低脫硝率的同時,也增加了凈化煙氣中未轉(zhuǎn)化NH3 的排放濃度,進(jìn)而造成二次污染。

2. 3　接觸時間對脫硝率的影響

在300 ℃溫度和物質(zhì)的量比n (NH3 ) / n (NOx ) 為1的條件下,脫硝率隨反應(yīng)氣與催化劑的接觸時間t的增加而迅速增加; t增至200ms左右時,脫硝率達(dá)到最大值,隨后脫硝率下降。這主要是由于反應(yīng)氣體與催化劑的接觸時間增加,有利于反應(yīng)氣體在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)和產(chǎn)物氣的解吸、擴(kuò)散,從而使脫硝率提高;但若接觸時間過長, NH3 氧化反應(yīng)開始發(fā)生,使脫硝率下降。

2. 4　催化劑中V2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對脫硝率的影響

催化劑中V2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于6. 6%時,隨 V2O5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,催化效率增加,脫硝率提高; 當(dāng)V2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過6. 6%時,催化效率反而下降。這主要是由于V2O5 在載體TiO2 上的分布不同造成的: 當(dāng)V2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 4% ～4. 5%時, V2O5 均勻分布于TiO2 載體上,且以等軸聚合的V 基形式存在;當(dāng)V2O5 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 6%時, V2O5 在載體TiO2 上形成新的結(jié)晶區(qū)(V2O5 結(jié)晶區(qū)) ,從而降低了催化劑的活性。

2. 5　催化劑的結(jié)構(gòu)類型和用量對脫硝效率的影響

該項(xiàng)目采用蜂窩式催化劑,其特點(diǎn)為表面積大、體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、阻力較大。煙氣組成成分(如粉塵濃度、粉塵顆粒尺寸、堿性金屬和重金屬等)的含量是影響催化劑選型的主要參數(shù)。針對湖南長沙發(fā)電有限公司機(jī)組的實(shí)際情況,選用節(jié)距為8. 2mm的蜂窩式催化劑,可以避免催化劑在運(yùn)行中產(chǎn)生堵塞。

3　延長催化劑使用壽命的措施

3. 1　SCR催化劑反應(yīng)器的改進(jìn)設(shè)計

催化劑和反應(yīng)器是SCR 系統(tǒng)的主要部分。催化劑都含有少量的氧化釩和氧化鈦,因?yàn)樗鼈兙哂休^高的抗SO3 的能力。催化劑的結(jié)構(gòu)、形狀隨它的使用環(huán)境而變化。為避免被顆粒堵塞,蜂窩狀、板式催化劑部件都是常用的結(jié)構(gòu),而華電長沙發(fā)電有限公司采用的是大孔徑的蜂窩狀部件,因?yàn)樗鼜?qiáng)度高, 且容易清理。為了使被飛灰堵塞的可能性減到最小,反應(yīng)器采用垂直放置,使煙氣由上而下流動。此外,每層裝有3臺IK - 525SL耙式吹灰器,采用引自屏式過熱器出口的過熱蒸汽吹灰。每臺反應(yīng)器共初裝6臺吹灰器來防止顆粒的堆積。

對SCR系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計則需考慮在催化反應(yīng)器的入口處合理分布煙氣和氨,以防止由于各部位的溫度常偏離設(shè)計溫度而導(dǎo)致脫硝率的改變;采用倒流板、混合器、氨噴射器對兩側(cè)煙道獨(dú)立布置, 使煙氣在各斷面上流量基本相等;催化劑體積的設(shè)計中也要考慮適當(dāng)放大催化劑的量;同時,還要考慮反應(yīng)器中有效區(qū)域的變化。

3. 2　運(yùn)行中嚴(yán)格根據(jù)煙氣參數(shù)確定脫硝裝置投退

在鍋爐的運(yùn)行中,做到密切注意煙氣量及其波動范圍、煙氣溫度及其波動范圍、SCR裝置進(jìn)口煙道上的煙氣壓力及其波動范圍、煙氣中的粉塵含量、煙氣中的二氧化硫含量等對脫硝效率和催化劑影響較大的參數(shù),只有煙氣參數(shù)完全符合設(shè)計值,才允許投入SCR裝置。如果出現(xiàn)個別參數(shù)偏離設(shè)計值過大的情況,應(yīng)及時進(jìn)行分析,評估其危害性質(zhì)和嚴(yán)重性,預(yù)先估計其后果并考慮補(bǔ)救措施,最終確認(rèn)SCR 裝置投入或退出運(yùn)行。

3. 3　鍋爐啟動和SCR系統(tǒng)投運(yùn)過程中采取的措施

鍋爐啟動和SCR系統(tǒng)投運(yùn)過程中,在運(yùn)行調(diào)整上采取必要的措施,控制煙氣溫度的上升速度,避免對設(shè)備造成損害,特別是在冷態(tài)啟動時必須進(jìn)行預(yù)熱。為了減少機(jī)械應(yīng)力對催化劑模塊的傷害,在煙氣溫度低于70 ℃時,嚴(yán)格控制煙氣溫度上升速度不超過5 ℃/min;煙氣溫度升高到120 ℃前,煙氣溫度上升速度不超過10 ℃/min;煙氣溫度高于120 ℃到催化劑運(yùn)行溫度間,升溫速度可以增加到60 ℃/min。

在SCR系統(tǒng)啟動次序上做調(diào)整。首先,開SCR 入口煙氣擋板啟動引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)用冷空氣清洗 SCR煙氣系統(tǒng)和催化劑模塊;鍋爐在滿足點(diǎn)火條件的情況下,使煙氣溫度升高加熱反應(yīng)器到120 ℃以上;鍋爐具備了投煤條件,啟動一次風(fēng)機(jī)投粉使煙氣溫度升高加熱反應(yīng)器到310 ℃以上。其次,啟動稀釋空氣風(fēng)機(jī),開稀釋空氣出口擋板,使空氣流量大于 3 200m3 /h (遠(yuǎn)期效率為85%時的空氣流量為5 400 m3 /h) ,氨從蒸發(fā)器供給已準(zhǔn)備好。最后,滿足氨閥開啟條件后,開啟氨供應(yīng)閥向A IG供應(yīng)氨切換到由 NOx 自動控制噴氨量。

3. 4　啟動前的全面復(fù)查

啟動前對SCR系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)檢查,確保設(shè)備系統(tǒng)良好、可靠,嚴(yán)禁帶病運(yùn)行。特別是利用每次停爐機(jī)會加強(qiáng)檢查:保證各層催化劑籃子上面應(yīng)無任何異物,催化劑無短缺、碎裂;保證所有保溫表面的有效性,以防灼傷操作人員及烤壞儀表電器;認(rèn)真確認(rèn)所有儀表的安裝質(zhì)量、功能的有效性、精度等級核定、零點(diǎn)漂移調(diào)整等與設(shè)計要求是否相符。機(jī)組啟動前做好重要儀器儀表的調(diào)整試驗(yàn)工作,如NOx ,O2 分析儀的調(diào)整,檢查控制閥、連鎖閥動作情況,檢查所有電路、電氣安裝的正確性等。

平時運(yùn)行中檢查所有檢查孔、人孔門、設(shè)備進(jìn)出孔是否已可靠關(guān)閉,所有公用設(shè)施(蒸汽、壓縮空氣、水、氨氣等)是否已正確到位;同時加強(qiáng)檢查所有膨脹支座和膨脹節(jié)位置的正確性,保證沿膨脹方向上無異物阻擋;檢查鋼結(jié)構(gòu)主要受力,梁撓度是否在允許值范圍內(nèi);通煙后在預(yù)設(shè)的檢查點(diǎn)檢查殼體熱變形值;熱態(tài)檢查儀表電氣工作的正確性。

3. 5　保證吹灰器正常運(yùn)行和吹灰效果

每一吹灰器通過就地控制柜的手動按鈕進(jìn)行試車,吹灰器的所有控制和順序功能均由分散控制系統(tǒng)(DCS)實(shí)現(xiàn)。與鍋爐本體的吹灰器同等對待,每臺反應(yīng)器的吹灰器按從上至下的催化劑層依次運(yùn)行,即上一層催化劑的吹灰器在設(shè)定的時間內(nèi)依次啟動運(yùn)行后,再開始運(yùn)行下一層催化劑的吹灰器,保證每臺反應(yīng)器每次只有1臺吹灰器運(yùn)行。避免催化劑在運(yùn)行中產(chǎn)生堵塞和大量積灰,一方面降低脫硝效率,另一方面損害催化劑的使用壽命。

為保證吹灰效果,吹灰蒸汽從鍋爐屏式過熱器吹灰蒸汽管道減壓站之后由1根主管引出,再由支管分別引入反應(yīng)器的每個催化劑層吹灰器入口的本體控制閥控制蒸汽吹入反應(yīng)器;為保證吹灰器運(yùn)行可靠,每一吹灰器配有2個限位開關(guān),當(dāng)吹灰器耙子完全伸出和完全收回時觸發(fā);每一吹灰器配有一對就地按鈕,保證在遠(yuǎn)控失靈的情況下用于就地投退吹灰器。

在日常運(yùn)行過程中,嚴(yán)格控制設(shè)定吹灰汽源壓力在1. 5～2. 5MPa。既要保證吹灰汽源壓力達(dá)到預(yù)期的吹灰效果(特別是對于燃用湖南灰分在50% 左右的地煤) ,又要控制壓力在合適范圍內(nèi),防止壓力過高吹損催化劑。同時,要選擇適當(dāng)吹灰汽源溫度,防止吹灰汽源溫度過高造成局部催化劑區(qū)域超過允許的430 ℃,致使局部催化劑失效;在吹灰汽源投入時做到疏水充分,避免由吹灰器帶水造成催化劑粘灰而影響脫硝效率。

4　結(jié)論

因?yàn)榇呋瘎┲脫Q費(fèi)用約占系統(tǒng)總價的60% ～ 70% ,脫硝系統(tǒng)催化劑的折舊壽命直接決定著SCR 系統(tǒng)的運(yùn)行成本。湖南華電長沙發(fā)電有限公司催化劑的設(shè)計使用壽命為4～5年,如果由于SCR系統(tǒng)運(yùn)行使用、維護(hù)不夠合理使催化劑提前失效進(jìn)行催化劑的置換、部分或整體更換,將進(jìn)一步加大催化劑的折舊成本。正常使用壽命期內(nèi),湖南華電長沙發(fā)電有限公司脫硝系統(tǒng)每年設(shè)備折舊費(fèi)用為1 000萬左右,如果催化劑提前1個月失效,那么在使用壽命期內(nèi)每年設(shè)備折舊費(fèi)用將增加至1 020萬左右,可見SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的使用壽命對運(yùn)營成本影響極大。

湖南華電長沙發(fā)電有限公司對SCR 系統(tǒng)在運(yùn)行使用、維護(hù)操作上采取了一系列的嚴(yán)格防護(hù)措施以力求延長(或保證)催化劑的使用壽命,但其實(shí)際效果還有待于靠脫硝效率和催化劑的實(shí)際失效時間來驗(yàn)證。

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