延長催化劑使用壽命的方法.doc

延長催化劑使用壽命的方法目前90%以上人為排放的氮氧(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GB132232003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(tái)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)1000多萬元。催化劑置換費(fèi)用約占系統(tǒng)總價(jià)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35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(shí)期,具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)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(jì)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(jì)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(tái)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(jì)值(53%以上);按設(shè)計(jì)煤種燃燒工況,每年可以減少NOx排放量2100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(jì)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(jì)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(shí)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0.0003%)。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(jì)要求在鍋爐B-MCR工況下保證催化劑的化學(xué)壽命不少于24000h,按機(jī)組每年利用小時(shí)數(shù)在50006000h計(jì)算,其壽命應(yīng)該為45年。在設(shè)計(jì)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300400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(shí),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(shí)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,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310430范圍內(nèi)進(jìn)行,此時(shí)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(huì)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n(NH3)/n(NOx)小于0.8時(shí),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(huì)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(jì)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(shí),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(shí)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(shí)間t的增加而迅速增加;t增至200ms左右時(shí),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(shí)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(shí)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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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3.1SCR催化劑反應(yīng)器的改進(jìn)設(shè)計(jì)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(dòng)。此外,每層裝有3臺(tái)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(tái)反應(yīng)器共初裝6臺(tái)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(jì)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(jì)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(jì)中也要考慮適當(dāng)放大催化劑的量;同時(shí),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(dòng)范圍、煙氣溫度及其波動(dòng)范圍、SCR裝置進(jìn)口煙道上的煙氣壓力及其波動(dòng)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(jì)值,才允許投入SCR裝置。如果出現(xiàn)個(gè)別參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值過大的情況,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析,評(píng)估其危害性質(zhì)和嚴(yán)重性,預(yù)先估計(jì)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(dòng)和SCR系統(tǒng)投運(yùn)過程中采取的措施鍋爐啟動(dòng)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(dòng)時(shí)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(shí),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(dòng)次序上做調(diào)整。首先,開SCR入口煙氣擋板啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)稀釋空氣風(fēng)機(jī),開稀釋空氣出口擋板,使空氣流量大于3200m3/h(遠(yuǎn)期效率為85%時(shí)的空氣流量為5400m3/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AIG供應(yīng)氨切換到由NOx自動(dòng)控制噴氨量。3.4啟動(dòng)前的全面復(fù)查啟動(dòng)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(huì)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(jí)核定、零點(diǎn)漂移調(diào)整等與設(shè)計(jì)要求是否相符。機(jī)組啟動(dòng)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(dòng)作情況,檢查所有電路、電氣安裝的正確性等。平時(shí)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(shí)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(dòng)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(tái)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(shí)間內(nèi)依次啟動(dòng)運(yùn)行后,再開始運(yùn)行下一層催化劑的吹灰器,保證每臺(tái)反應(yīng)器每次只有1臺(tái)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(gè)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(gè)限位開關(guān),當(dāng)吹灰器耙子完全伸出和完全收回時(shí)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1.52.5MPa。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(shí),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(shí)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(jià)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(jì)使用壽命為45年,如果由于SCR系統(tǒng)運(yùn)行使用、維護(hù)