SCR平板式脫硝催化劑性能分析及運行管理

SCR平板式脫硝催化劑性能分析及運行管理通過對燃煤機組SCR平板式脫硝催化劑的性能進(jìn)行分析，跟蹤催化劑實際運行性能，實時把握催化劑的實際運行效果，并分析出影響催化劑性能下降的因素，從而有針對性的制定催化劑加裝或更換方案，在保證脫硝設(shè)施穩(wěn)定運行的同時最大化發(fā)揮催化劑的實際運行壽命。燃煤機組煙氣脫硝廣泛采納選擇性催化劑還原(SCR)工藝，脫硝催化劑是SCR工藝的核心，催化劑的性能直接關(guān)系到機組的整體脫硝效果，催化劑壽命長短(化學(xué)壽命、機械壽命)關(guān)乎燃煤電廠脫硝裝置的經(jīng)濟性。新奇催化劑性能檢測與評價，可有效評判催化劑的性能，對入廠前催化劑性能起到把關(guān)作用;在役催化劑性能檢測可實現(xiàn)對催化劑性能的跟蹤，以便準(zhǔn)時依據(jù)脫硝裝置催化劑運行狀況制定合適的催化劑管理方案。本文以某燃煤機組脫硝裝置新奇板式催化劑及運行3年的在役催化劑為討論對象，對其進(jìn)行表觀、理化特性(微觀比表面積、XRF、ICP等)、工藝特性檢測，分析催化劑性能下降緣由，有針對性的制定適合的催化劑管理方案，在保證脫硝設(shè)施穩(wěn)定運行的同時最大化發(fā)揮催化劑的實際運行壽命。1催化劑檢測1.1項目概況該燃煤機組容量300MW，采納SCR煙氣脫硝裝置，一爐雙反應(yīng)器布置，反應(yīng)器內(nèi)催化劑采納“3+1”模式布置，初裝2.5層平板式催化劑，催化劑體積總量為510m3，初裝催化劑已運行超3年時間，脫硝裝置入口設(shè)計參數(shù)見表1。表1脫硝裝置入口設(shè)計參數(shù)<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604391883.jpg”alt=“微信圖片_20191101092907.jpg”width=“476”height=“245”/1.2催化劑樣品外觀狀況新奇催化劑表面平整無裂紋，存在較多凸起的化學(xué)斑塊;運行3年后的在役催化劑外觀基本完整，部分催化劑樣品迎風(fēng)面稍有磨損，表面有少量化學(xué)物質(zhì)脫落。催化劑外觀狀況見圖1和圖2。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604397929.jpg”alt=“微信圖片_20191101092858.jpg”width=“448”height=“120”/圖1新奇催化劑樣品外觀<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604403153.jpg”alt=“微信圖片_20191101092847.jpg”width=“448”height=“127”/圖2運行中催化劑樣品外觀2催化劑活性測試及性能分析2.1催化劑活性測試催化劑活性測試儀器為自制中型催化劑活性測試裝置，主要組成部分為:氣瓶組、氣體混合加熱器、模擬反應(yīng)器和煙氣分析系統(tǒng)(儀器示意如圖3)。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604408137.jpg”alt=“微信圖片_20191101092839.jpg”width=“452”height=“270”/圖3工藝特性檢測系統(tǒng)將催化劑樣品A層、B層、C層切割為寬度約42mm，長度約為630mm試片35片，根據(jù)節(jié)距為7.0mm組合為A層+B層+C層3層催化劑測試試樣(上、中層各為2個模塊，下層為1個模塊)進(jìn)行試驗，測試工況及試驗結(jié)果分別見表2和表3。從檢測結(jié)果可知，在設(shè)計煙氣條件下，當(dāng)運行中3層組合催化劑脫硝效率達(dá)到89.2%時，K/K0值為0.72，催化劑活性有肯定程度的衰減。2.2催化劑性能分析本文從主要化學(xué)成分、微量元素、掃描電鏡和微觀比表面積4個參數(shù)角度對催化劑活性下降緣由進(jìn)行分析。表2測試工況<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604401099.jpg”alt=“微信圖片_20191101092825.jpg”width=“468”height=“215”/表3工藝特性檢測結(jié)果比較<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604402029.jpg”alt=“微信圖片_20191101092823.jpg”width=“464”height=“98”/2.2.1主要化學(xué)成分目前燃煤電廠廣泛使用的平板式催化劑主要為V2O5-MoO3/TiO2催化劑，高比表面積的銳鈦型TiO2為脫硝催化劑的載體，V是催化劑中的主要活性物質(zhì)，MoO3能給催化劑表面供應(yīng)熱穩(wěn)定的酸性位。本次試驗采納X射線熒光光譜儀(ZSXPrimusIIX理學(xué))，依據(jù)GB/T31590—2015熔融法檢測，前后兩次檢測對比見圖4。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604400616.jpg”alt=“微信圖片_20191101092813.jpg”width=“400”height=“227”/圖4主要化學(xué)成分檢測結(jié)果比較由圖4可知，運行中3層催化劑樣品的V2O5、MoO3、TiO2組分含量較新奇催化劑均有肯定程度的降低，SiO2組分含量較新奇催化劑有所上升。經(jīng)大量討論表明，催化劑不斷經(jīng)高溫?zé)煔鉀_刷后會造成活性組分損失(活性位削減、磨損引起的活性組分削減)及微觀孔道的堵塞等。此催化劑樣品灼燒減量較高，主要化學(xué)成分中有23%左右的成分被灼燒掉，經(jīng)核實，主要化學(xué)成分中SO3約占13%。SO3會與煙氣中的CaO、NH3等發(fā)生反應(yīng)，生成CaSO4、(NH4)2SO4和NH4HSO4等物質(zhì)，黏附在催化劑表面或孔道中，使NH3難以集中到催化劑表面，致使脫硝效率下降。2.2.2掃描電鏡試驗采納日本Hitachi公司的S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM)，測試條件為:催化劑粉末樣，真空下鍍鉑，工作電壓25kV、電流1x10-11A。掃描電鏡圖見圖4。3層運行中催化劑樣品顆粒均消失稍微的團聚現(xiàn)象，但沒有消失明顯的燒結(jié)。<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604410487.jpg”alt=“微信圖片_20191101092740.jpg”width=“684”height=“197”/圖5掃描電鏡圖2.2.3微量元素采納電感耦合等離子體放射光譜法測量催化劑樣品微量元素，檢測結(jié)果見表4。表4微量元素檢測結(jié)果比較<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604412814.jpg”alt=“微信圖片_20191101092736.jpg”width=“476”height=“174”/B層、C層的K、Na含量相對于新奇催化劑有較大程度的上升，3層催化劑的Ca、Fe含量相對于新奇催化劑均有較大程度的上升，且均檢測出As。煙氣中的堿金屬、堿土金屬、Fe、As等既會堵塞催化劑微觀孔道，又可與活性組分V2O5的活性酸性位結(jié)合，削減催化劑上有效活性位數(shù)量，使得催化劑表面NH3吸附量削減，從而導(dǎo)致對催化劑活性成分的破壞，致使釩系SCR脫硝催化劑中毒。2.2.4微觀比表面積采納氣體吸附BET法測定催化劑微觀比表面積，檢測結(jié)果見表5。表5比表面積檢測結(jié)果比較<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604410000.jpg”alt=“微信圖片_20191101092734.jpg”width=“464”height=“82”/A層、B層、C層樣品比表面積相對于新奇催化劑均有較大程度的下降(分別為64.74%、58.09%、60.55%)，催化劑的微觀反應(yīng)孔道受到了肯定程度的堵塞。有討論表明，飛灰中的部分金屬氧化物會與煙氣中的CO2/SO2反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成碳酸鹽、硫酸鹽的細(xì)小顆粒，部分細(xì)小顆粒滲入催化劑內(nèi)部，堵塞部分小孔，孔道堵塞和高溫?zé)Y(jié)也會使孔道變形和堵塞，導(dǎo)致比表面積減小，比表面積減小會降低催化劑對NH3的吸附力量。3催化劑運行管理本燃煤機組目前初裝2.5層催化劑，催化劑總體積量為510m3。在鍋爐正常負(fù)荷范圍內(nèi)，設(shè)計條件下SCR入口NOx濃度為900mg/m3，在脫硝裝置在附加層催化劑投運前，脫硝效率≥89%，且NOx排放濃度≤100mg/m3。通過對新奇催化劑和運行3年后催化劑工藝特性的檢測分析，目前運行中催化劑的氨逃逸遠(yuǎn)超過3μL/L，活性比值K/K0為0.72，催化劑活性大幅下降，不能滿意脫硝性能要求。為保證脫硝系統(tǒng)的達(dá)標(biāo)排放和經(jīng)濟運行，需對催化劑進(jìn)行加裝或更換。考慮到該燃煤機組后期會進(jìn)行超低排放改造，僅通過加裝或更換催化劑不能實現(xiàn)脫硝反應(yīng)器入口NOx由900mg/m3到出口NOx50mg/m3的目標(biāo)，故假定本次催化劑管理方案在超低排放改造時實施，通過在脫硝反應(yīng)器前進(jìn)行SNCR或低氮燃燒改造將脫硝反應(yīng)器入口NOx由900mg/m3降至650mg/m3，再經(jīng)SCR脫硝裝置實現(xiàn)出口NOx濃度≤50mg/m3的目標(biāo)。催化劑加裝方案如下:方案一:根據(jù)超低排放要求加裝1層(備用層)，在此基礎(chǔ)上核算整體化學(xué)壽命。方案二:根據(jù)超低排放要求加裝1.5層(1層備用層+0.5層第三層)，在此基礎(chǔ)上核算整體化學(xué)壽命。方案三:保證整體化學(xué)壽命24000h，計算催化劑加裝體積量。方案四:根據(jù)初裝催化劑體積量的50%進(jìn)行加裝，在此基礎(chǔ)上核算整體化學(xué)壽命。催化劑加裝體積量見表6。以上4種方案從當(dāng)前要求的性能保證角度考慮均可行。若采納方案三和方案四，催化劑化學(xué)壽命期表6催化劑運行管理方案<imgsrc=“/UploadFiles/2020001/20209/Env/202009091604415556.jpg”alt=“微信圖片_20191101092629.jpg”width=“468”height=“99”/過后每次更換的催化劑體積量若差異較大，每更換一次催化劑就需校核催化劑荷載并調(diào)整吹灰器高度，存在管理上的不便;而采納方案一和方案二，催化劑化學(xué)壽命期后每次更換催化劑的規(guī)格全都，從長期催化劑更換角度考慮可實現(xiàn)“3+1”輪換模式，催化劑更換操作及管理便利。考慮到本項目原催化劑運行實際狀況，綜合考慮經(jīng)濟性和催化劑利用最大化，本文推舉采納方案二。4結(jié)論通過對該燃煤機組初裝催化劑前后兩次檢測結(jié)果對比分析，催化劑整體已不能滿意性能考核要求，氨逃逸7.6μL/L，遠(yuǎn)超氨逃逸3μL/L的要求，催化劑活性大幅下降。造成本燃煤機組催化劑活性下降的緣由并非因高溫?zé)Y(jié)導(dǎo)致的失活，而是以下兩方面:1)因煙氣中的堿金屬、堿土金屬、Fe、As等堵塞催化劑微觀孔道，且與活性組分V2O5的活性酸性位結(jié)合，削減催化劑上有效活性位數(shù)量，使得催化劑表面NH3吸附量削減。2)飛灰中成分堵塞催化劑微觀孔道，導(dǎo)致微觀比表面積減小。因該燃煤機組脫硝催化劑活性大幅下降，脫硝效率、氨逃逸和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率已無法滿意性能考核要求，須準(zhǔn)時對脫硝催