延长催化剂使用寿命的方法

延长催化剂使用寿命的方法

延长催化剂使用寿命的方法

目前90%以上人为排放的氮氧(NOx)来自于矿物燃料(如煤、石油、天然气等的燃烧过程。随着中国电力工业的飞速发展,来自火电系统的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年国家开始实施新的大气排放标准对火电厂NOx排放要求有了大幅度的提高。按照GB13223—2003《火电厂大气污染物排放标准》的要求,火电厂排放烟气中NOx的质量浓度必须小于450mg/m3。

湖南华电长沙发电有限公司是我国首批新建机组中同步投入脱硫、脱硝系统的电厂,每天单台机组的脱硝运行成本约1.7万元,年均500万元以上。此外,根据厂家说明书,催化剂置换或更新造成的折旧损失,每年高达1000多万元。催化剂置换费用约占系统总价的60%～70%。影响催化剂折旧成本的重要因素之一是其使用寿命;目前催化剂的寿命一般为3～5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,减少发电企业运行成本,在当前各发电企业经营上举步维艰的特别时期,具有现实的社会和经济意义。电厂可在运行、操作和维护方面采取必要的措施来延长催化剂使用寿命。

1脱硝系统运行情况及催化剂使用寿命

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)法达到去除烟气中NOx的目的。SCR反应器采用高灰布置,设计脱硝效率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2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,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NOx排放量2100多t。氨逃逸率、SO2/SO3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SO2浓度修正后考核合格。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(特别是硫分和灰分明显偏高),为保证脱硝效率,对SCR系统催化剂的运行维护提出了更高的要求。

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为止,把催化剂的运行小时数作为催化剂化学使用寿命(NOx脱除率不低于性能保证要求,氨的逃逸率不高于0.0003%)。

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B-MCR工况下保证催化剂的化学寿命不少于24000h,按机组每年利用小时数在5000～6000h计算,其寿命应该为4～5年。在设计寿命后期,随着脱硝效率的下降,应该进行催化剂的置换、部分或整体更换,如果SCR系统运行使用、

维护不够合理将使催化剂提前失效,进一步增加催化剂的折旧成本。

2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、飞灰特性和颗粒尺寸、烟气流量、中毒反应、NOx的脱除率、物质的量比n(NH3)/n(NOx)、烟气中SOx的浓度、压降、催化剂的结构类型和用量等。

2.1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(如图1所示)可以看出,在300～400℃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%),随后脱硝率随温度的升高而下降。这主要是由于在SCR过程中温度的影响存在2种趋势:一方面温度升高时脱硝反应速率增加,脱硝率升高;另一方面随温度升高,NH3氧化反应加剧,使脱硝率下降。因,最佳温度是这2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,将SCR反应器布置在锅炉省煤器与空气预热器之间。

必须注意的是催化剂能够长期承受的温度不得高于430℃,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。

2.2物质的量比n(NH3)/n(NOx)的影响

物质的量比n(NH3)/n(NOx)对脱硝效率的影响如图2所示(由厂家提供)。

在300℃下,脱硝率随物质的量比n(NH3)/n(NOx)的增加而增加,物质的量n(NH3)/n(NOx)小于0.8时,其影响更明显,几乎呈线性正比关系。该结果说明:若NH3投入量偏低,脱硝率受到限制;若NH3投入量超过需要量,NH3氧化等副反应的反应速率将增大,如SO2氧化生成SO3,在低温条件下SO3与过量的氨反应生成NH4HSO4。NH4HSO4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物质的量比n(NH3)/n(NOx)、工况条件和催化剂的活性用量(工程设计氨逃逸不大于0.0003%,SO2氧化生成SO3的转化率≤1%)。氨的逃逸率增加,在降低脱硝率的同时,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。

2.3接触时间对脱硝率的影响

在300℃温度和物质的量比n(NH3)/n(NOx)为1的条件下,脱硝率随反应气与催化剂的接触时间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;但若接触时间过

长,NH3氧化反应开始发生,使脱硝率下降。

2.4催化剂中V2O5的质量分数对脱硝率的影响

催化剂中V2O5的质量分数低于6.6%时,随V2O5质量分数的增加,催化效率增加,脱硝率提高;当V2O5的质量分数超过6.6%时,催化效率反而下降。这主要是由于V2O5在载体TiO2上的分布不同造成的:当V2O5的质量分数为1.4%～4.5%时,V2O5均匀分布于TiO2载体上,且以等轴聚合的V基形式存在;当V2O5的质量分数为6.6%时,V2O5在载体TiO2上形成新的结晶区(V2O5结晶区),从而降低了催化剂的活性。

2.5催化剂的结构类型和用量对脱硝效率的影响

该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。针对湖南长沙发电有限公司机组的实际情况,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。

3延长催化剂使用寿命的措施

3.1SCR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。催化剂都含有少量的氧化钒和氧化钛,因为它们具有较高的抗SO3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