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1、2008年全国电力行业脱硫脱硝技术协作网年会暨技术:fird,-/会论文集如何在保证SC8脱硝效率前提下延长催化剂的使用寿命 孙海峰I杨广春1高景玉2(1.湖南华电长沙发电有限公司,湖南长沙;2.华电湖南分公司,湖南长沙摘要:安装脱硝系统火力发电厂在保证SCR脱硝效率前提下如何延长(或保证催化剂的使用寿命,根据实际情况提出解决问题采 取的措施和方法。关键词:效率延长催化剂使用寿命措施方法1引言目前NOx人为排放的90%以上来自于矿物燃料的燃烧 过程,如煤、石油、天然气等等。随着中国电力工业的飞速发 展,产生的NOx污染不断加剧,控制氮氧化物的排放已经成 为电力环保行业的重点。2004年国家新的
2、大气排放标准实 施后,对火电厂NOx排放要求有了大幅度的提高,按火电 厂大气污染物排放标准(GBl32232003中要求烟气中 NOx小于450me,/Nm3。湖南华电长沙发电公司是首批投入脱硝系统电厂,每天 单台机组脱硝运行成本约1.7万元,特别是催化剂每年1000多万的折旧损失;在发电企业举步维艰的经营时期,催化剂 的寿命决定着SCR系统的运行成本。催化剂置换费用约占 系统总价的60-70%。目前催化剂的寿命一般为35年(厂 家给定。如何在保证SCR脱硝效率前提下延长催化剂的使 用寿命,这就要求发电企业在保证脱硝效率的情况下进一步 在运行、操作、维护上采取必要的措施来延长(保证催化剂 使用
3、寿命。2脱硝系统运行情况湖南华电长沙发电有限公司脱硝系统是由东方锅炉 (集团股份有限公司设计制造,采取选择性催化还原 (SCR法来达到去除烟气中NOx的目的,SCR反应器采用 高灰布置。SCR脱硝装置设计效率达到85%,初期装入的催 化剂按50%脱硝效率实施SCR技术。采用氨作为还原剂。湖南华电长沙发电有限公司两台脱硝机组脱硝性能试 验已经完成,脱硝装置投入正常,系统运行平稳,保证脱硝效 率达到设计值(53%以上;按设计煤种燃烧工况每年可以 减少NO。排放量2100多吨。氨逃逸率、so/so,转化率、系统 阻力损失和氨耗量等考核性能指标,用烟气温度、烟气流量 及入口SO:浓度修正后考核合格。但
4、是由于煤炭市场供应形 势所限,实际燃用煤种偏离设计值较大(特别是硫分和灰 分,为此在保证脱硝效率的情况下,对SCR系统催化剂的 运行维护提出了更高的要求。3催化剂的使用寿命工程上计算催化剂的使用寿命一般从脱硝装置投入商 业运行开始到更换或加装新的催化剂之前,催化剂的运行小 时数作为催化剂化学使用寿命0x脱除率不低于性能保证 要求,氨的逃逸率不高于3ppm。湖南华电长沙发电有限公司SCR脱硝系统催化剂设计 要求在锅炉BMCR工况下保证催化剂的化学寿命不少于 24000小时。按机组每年利用小时数在5000-6000小时计算 应该在4.5年之间,在设计寿命后期随着脱硝效率的下降, 就应该进行催化剂的
5、置换、或部分或整体更换,如果SCR系 统运行使用、维护不够合理的话将使催化剂提前失效,进一 步增加催化剂的折旧成本。4影响脱硝效率的主要因素SCR系统影响脱硝效率的主要因素包括:烟气的温度、 2192008年全国电力行业脱硫脱硝技术协作网年会暨技术研讨会论文集飞灰特性和颗粒尺寸、烟气流量、中毒反应、NO。的脱除率、 NHJNOx摩尔比、烟气中SO。的浓度、压降、催化剂的结构类 型和用量等。4.1反应温度的影响反应温度对脱硝率有较大的影响,从厂家给出的反应曲 线(图1可以看出,在300-400。C范围内(对中温触媒,随 着反应温度的升高,脱硝率逐渐增加,升至400时,达到最 大值(90%,随后脱
6、硝率随温度的升高而下降。在SCR过程 中温度的影响存在两种趋势,一方面是温度升高是脱硝反应 速率增加,脱硝率升高;另一方面温度的升高NH,氧化反应 开始发生,使脱硝率下降。因此,最佳温度是这两种趋势对立 统一的结果。脱硝反应一般在310.430范围内进行。此时催化剂活 性最大,所以SCR反应器布置在锅炉省煤器与空预器之间。 催化剂能够长期承受的温度不得高于430。C,短期承受的温 度不得高于450,超过该限值,会导致催化剂烧结。 l I鲍 200瑚珈 瑚 枷4SO图1:反应温度与脱硝效率关系4.2NH3/NO摩尔比的影响NHJNOx摩尔比对脱硝效率的影响可以通过厂家提供 反应图2看出:图2:N
7、Ha/NOx摩尔比对脱硝效率的影响在3000C下,脱硝率随NH3fNOx摩尔比的增加而增加, NHJNOx摩尔比小于0.8时,其影响更明显,几乎呈线形正比 关系。该结果说明若NH,投入量偏低,脱硝率受到限制;若 NH,投入量超过需要量,NH,氧化等副反应的反应速率将增 大,如sO:氧化生成S03,在低温条件下SO,与过量的氨反应 生成NI-hHSO,。NH,HSO,会附着在催化剂或空预器冷段换热 元件表面上,导致脱硝效率降低或空预器堵塞。氨的过量和逃逸取决于NHJNO。摩尔比、工况条件和催 化剂的活性用量。(工程设计氮逃逸不大于3ppm。s02氧化 生成SO,的转化率不大于1%。氨的逃逸率增加
8、。在降低脱硝率同时,也增加了净化烟 气中未转化NH3的排放浓度,进而造成二次污染。4.3接触时间对脱硝率的影响在300。C温度和NHJNOx摩尔比为1的条件下,脱硝率 随反应气与催化剂的接触时问t的增加而迅速增加,t增至 200ms左右时,脱硝率达到最大值,随后脱硝率下降。这主要 是由于反应气体与催化剂的接触时间增加,有利于反应气体 在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散, 从而使脱硝率提高。但是,若接触时间过大,NH,氧化反应开 始发生,使脱硝率下降。4.4催化荆中V20,含量对脱硝率的影响催化剂中V舡含量的增加,催化效率增加,脱硝率提高, 但是,VA含量超过6.6%时,催化效
9、率反而下降,这主要由 于V鼽在载体Ti02上的分布不同造成的。当V鼽含量在 1.4%-4.5%时,V舡均匀分布于Ti02载体上,并且以等轴聚 合的V基形式存在;当VI魄含量为6.6%时,V籼在载体TiO:上形成新的结晶区V20,结晶区,从而降低了催化剂的活 性。4.5催化剂的结构类型和用量对脱硝效率的影响 本项目采用蜂窝式催化剂。其特点为表面积大,体积小, 机械强度大、阻力较大。烟气的组成成分(如粉尘浓度、粉尘 颗粒尺寸、碱性金属和重金属等的含量是影响催化剂选型 的主要参数。针对长沙项目锅炉机组的实际情况,选用节距为 8.2mm的蜂窝式催化剂,可以避免催化剂在运行中产生堵塞。 5延长(或保证催
10、化剂使用寿命的措施方法 5.1在SCR催化剂反应器的改进设计催化剂和反应器是SCR系统的主要部分。采用催化剂都2008年全国电力行业脱硫脱硝技术协作网年会暨技术研讨会论文集含有少量的氧化钒和氧化钛。因为它们具有较高的抗s0,的 能力。催化剂的结构、形状随它的使用环境而变化。为避免被 颗粒堵塞,蜂窝状、板式催化剂部件都是常用的结构,而华电 长沙发电有限公司采用的是大孔径的蜂窝状,因为它不仅强 度好,而且容易清理。为了使被飞灰堵塞的可能性减到最小, 反应器采用垂直放置,并使烟气由上而下流动。此外。每层装 有3台IK-525SL耙式吹灰器,采用引自屏过出口过热蒸汽 吹灰。每台反应器共初装6台吹灰器来
11、防止颗粒的堆积。 对SCR系统进行优化设计则需考虑到在催化反应器的 入口处合理分布烟气和氨,以防止由于各部位的温度常偏离 设计温度从而导致脱硝率的改变,采用倒流板、混合器、氨喷 射器对两侧烟道独立布置,使烟气在各断面上流量基本相 等,催化剂体积的设计中也考虑适当放大催化剂的量,同时 还要考虑反应器中有效区域的变化。5.2运行中严格根据烟气参数确定脱硝装置投退 在锅炉的运行中,做到密切注意烟气量及其波动范围、 烟气温度及其波动范围、SCR装置进口烟道上的烟气压力及 其波动范围、烟气中的粉尘含量、烟气中的二氧化硫含量等 对脱硝效率和催化剂影响较大的参数。只有烟气参数完全符 合设计值,才允许投入SC
12、R装置。如果出现个别参数偏离设 计值过大,及时对此进行分析,评估其危害性质和严重性,预 先估计其后果并考虑补救措施,最终确认SCR装置投入或退 出运行。5.3锅炉启动和SCR系统投运过程中采取措施 锅炉启动和SCR系统投运过程中在运行调整上采取必 要的措施,控制烟气温度的上升速度,避免对设备造成损害, 特别是在冷态启动时必须进行预热。为了减少机械应力对催 化剂模块的伤害,在烟气温度低于70E时,严格控制烟气温 度上升速度不超过5,分钟;烟气温度升高到120。C前。烟 气温度上升速度不超过10。C/分钟;烟气温度高于120。C到 催化剂运行温度间,升温速度可以增加到60。C/分钟。在SCR系统启
13、动次序上作调整,首先开SCR入口烟气 挡板启动引风机和送风机用冷空气清洗SCR烟气系统和催 化荆模块,当锅炉满足点火条件点火,使烟气温度升高加热 反应器到120以上锅炉具备投煤条件,启一次风机投粉使 烟气温度升高加热反应器到310以上,其次启动稀释空气 风机,开稀释空气出口挡板。使空气流量大于3200m3Pa(远期 85%效率时5400m3/h氨从蒸发器供给已准备好,最后满足 氨阀开启条件,开启氨供应阀向AIG供应氨切换到由NO。自 动控制喷氨量。5.4启动前的全面复查启动前对SCR系统进行详细检查,确保设备系统良好、 可靠,严禁带病运行特别是利用每次停炉机会加强检查各层 催化剂篮子上面应无任
14、何异物。催化剂无短缺、碎裂;所有保 温表面的有效性,以防灼伤操作人员及烤坏仪表电器;认真 确认所有仪表的安装质量、功能的有效性、精度等级核定、零表1SCR系统运行参数设备或仪表 设计值 范围 单位 NOx出口浓度 158.54(远期85%脱硝效率时为47.56 100158.5嘶远期85%脱硝效率时为10一47.56 ppm 反应器入口温度 一430o C 反应器出口温度 430o C 250(当装入备用层为375;系统远期85%脱硝效催化剂的压差 222-525Pa 率未装入备用层为350,装入备用层为525。稀释空气流量 3200(j匠期85%效率为5400 3200-3700(远期85%
15、效率为54006250 m3/h NH,蒸发器温度 6080o C NH3流量 46.9200.542220kg/h 吹灰蒸汽压力 1.181.182.95MPa 吹灰蒸汽温度 。409。C NH3供应压力 O.09O.12OO.15MPa 烟气中粉尘含量、 25.9625.9636.8l g/Nm3烟气中sO:含量 Nm32212008年全国电力行业脱硫脱硝技术协作网年会暨技术研讨会论文集点漂移调整等,与设计要求是否相符等。机组启动前做好重 要仪器仪表的调整试验工作:例如NO。、O:分析仪,控制阀、 连锁阀动作,检查所有电路、电气安装的正确性。平时运行当中检查所有检查孔,人孔门,设备进出孔是
16、 否已可靠关闭;所有公用设施(蒸汽、压缩空气、水、氨气等 是否已正确到位;同时加强检查所有膨胀支座和膨胀节位置 的正确性,沿膨胀方向上无异物阻挡;钢结构主要受力,梁挠 度是否在允许值范围内,通烟后在预设的检查点检查壳体热 变形值;热态检查仪表电气工作的正确性。5.5保证吹灰器正常运行和吹灰效果每一吹灰器通过就地控制柜的手动按钮进行试车,吹灰 器的所有控制和顺序功能均由DCS实现。与锅炉本体的吹灰 器同等对待,每台反应器的吹灰器按从上至下的催化剂层依 次运行,即上一层催化剂的吹灰器在设定的时间内依次启动 运行后,再开始运行下一层催化剂的吹灰器。保证每台反应 器每次总是保证只有一台吹灰器运行。避免催化剂在运行中 产生堵塞和大量积灰,一方面降低脱硝效率,另一方面损害 催化剂的使用寿命。同时为保证吹灰效果,吹灰蒸汽从锅炉屏
