火電廠SCR催化劑質量與壽命管理體系研究與應用

華電集團公司生產技術部/華電電力科學研究院

劉傳柱 畢詩方 田亞 蔣志強 王興合 朱躍 張揚 杜振 江建平 王磬

一、前言

本項目“火電廠SCR催化劑質量與壽命管理體系研究與應用”針對國內大規模脫硝改造機組對催化劑質量管控的需求，一方面在國內外首創了脫硝催化劑綜合質量等級“五色評價體系”實現催化劑檢測評價的標準化、程序化和規范化，有效實現了催化劑質量的可控、在控，保障了SCR脫硝裝置乃至整個機組的可靠性，另一方面協同SCR裝置的性能驗收和催化劑的定期抽檢實現催化劑的壽命評估管理，有效延長了催化劑的實際使用壽命，在此基礎上構建了脫硝催化劑過程化質量管控和壽命管理模式，建立了華電集團脫硝催化劑檔案并構建催化劑性能檢測參數原始數據庫，切實保障火電廠SCR脫硝工程質量，降低脫硝裝置運行成本。

本項目實施以來，產生多項知識產權，并且已成功地對300余臺次脫硝機組SCR催化劑進行了質量管控和壽命管理，有效地保障了火電廠SCR脫硝工程的質量。

二、項目實施背景

（一）項目實施的市場背景

“十二五”中前期，由于脫硝改造工程的快速推進與脫硝催化劑供應能力的不足，脫硝催化劑市場出現供不應求的局面，導致脫硝催化劑質量難以有效控制。

“十二五”后期，隨著脫硝改造工程建設速度的放緩，以及催化劑生產廠家和產能的急劇增長，使得催化劑市場的產能過剩加劇了惡性競爭局面，進而導致了偷工減料、降低標準等質量問題。

隨著大規模脫硝改造的結束，催化劑的產能將達到市場需求的2倍。后續脫硝催化劑再生技術的進一步推廣應用將導致催化劑供大于求的問題進一步突顯，急需對催化劑質量進行嚴格把控。

（二）項目實施的現狀背景

由于SCR市場多樣化，催化劑質量參差不齊，新鮮催化劑存在著多種質量問題（如圖1所示），因此通過催化劑的質量與壽命管理可有效控制催化劑的質量，進一步能夠延長催化劑的壽命，降低脫硝工程運行成本。

（三）項目實施的技術背景

圖1 部分新鮮催化劑質量問題

在國外，提供催化劑檢測等相關服務的包括催化劑生產廠商和催化劑再生企業，不僅設有催化劑活性檢測實驗室，還制定了相應的檢測標準。但是該項工作做得最為完整、出色和富有成效的還屬電力企業，如德國意昂公司（E.ON），建立了一整套先進的SCR催化劑管理模式，主要包括：SCR裝置性能檢測及運行優化技術、SCR催化劑性能檢測及壽命評估管理技術、SCR催化劑補充/更換/再生策略等。

在國內，由于SCR技術引入時間較晚，SCR裝置投運時間較短，相關檢測技術與國外還存在差距。國內較早開展脫硝催化劑檢測的機構為：西安熱工研究院蘇州分公司、浙江大學和中國科學院城市環境研究所等，另外，重慶遠達、國電龍源、東方凱特瑞等主流催化劑生產廠，也均設有催化劑活性檢測實驗室。然而，我國動力用煤品質差別大，煤種供應不穩定，且脫硝效率、機組點火方式、運行方式及運行參數等均存在較大差異，SCR催化劑的運行條件更為惡劣，故生搬硬套國外技術絕非上佳之選，必須走符合我國國情的SCR催化劑質量管控和壽命管理之路。

三、項目內涵及做法

（一）在國內外首創脫硝催化劑綜合質量等級“五色評價體系”，實現催化劑評價的標準化、程序化和規范化。

有關《聊齋志異》與其他古代小說作品的比較，以及不同理論和觀點的比較，均滲透在《〈聊齋志異〉敘事藝術研究》各章節的論述之中，是非專題性的重要的比較，屬于不是核心的“核心”內容。在《〈聊齋志異〉敘事藝術研究》中，還存在另一種比較方式，那就是專門對《聊齋志異》和《鏡花緣》的人物形象進行的比較，這種比較是專題性的、集中的比較，屬于非關鍵比較，其作用在于拓寬視野，深化認識。

SCR催化劑的檢測評價是催化劑質量管控的核心環節，更是保障催化劑采購質量的關鍵。國內針對SCR脫硝技術的研究起步晚，尤其是SCR催化劑檢測評價的標準規范長期處于空白，相關生產廠商和使用單位只能長期借鑒德國VGB標準和美國EPRI標準。華電集團在充分研究國內外SCR催化劑檢測技術的基礎上于2013年4月制定并發布了《中國華電集團公司火電機組SCR催化劑強檢要求》（以下簡稱《強檢要求》），詳細規定了SCR催化劑性能檢測的內容、方法、程序和標準等，填補了國內SCR催化劑檢測規范的空白，在集團內外得到了廣泛的實踐應用，并于2015年7月進行了修訂。國內于2013年11月才發布了第一部SCR催化劑性能檢測的行業標準《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測技術規范（DL/T 1286-2013）》。在性能檢測內容上，《強檢要求》主要參照了VGB標準設置了涵蓋蜂窩式催化劑和平板式催化劑的外觀特性、幾何特性、理化特性和工藝特性等四個性能檢測部分（如圖2所示），波紋板式催化劑主要參照執行平板式催化劑的檢測規范。同時，《強檢要求》強調實際化學催化反應下的SCR催化劑性能特征，也即氨氮摩爾比以SCR脫硝工程的設計參數作為依據，而VGB標準強調理論化學催化反應下的SCR催化劑性能特征，也即氨氮摩爾比為1的情況。在此基礎上，本項目嚴格按照中國計量認證（CMA認證）標準研發搭建了擁有自主知識產權的SCR脫硝催化劑性能檢測平臺，涵蓋機械性能、微觀特性、化學成分和工藝特性四部分，實現脫硝催化劑的科學化性能檢測。

圖2 SCR催化劑綜合質量等級評價原理圖

為了將SCR催化劑的分項性能檢測指標與綜合質量等級直觀評價相結合，華電集團立足《強檢要求》的應用實踐情況研究SCR催化劑的綜合質量等級評價技術，于2013年8月發布了《中國華電集團公司火電機組SCR催化劑綜合質量等級標準》，并于2015年7月進行了修訂，從而在國內外首創了SCR催化劑綜合質量等級“五色評價體系”。SCR催化劑綜合質量評價的前提是外觀特性和幾何特性的檢測，兩者可以直接影響SCR催化劑的理化特性和工藝特性，進而影響催化劑的脫硝效果和使用壽命。SCR催化劑綜合質量評價的重點是理化特性和工藝特性，主要是通過對SCR催化劑性能檢測指標進行分項篩選，同時對蜂窩式和平板式催化劑的性能檢測指標分別賦予不同的評價權重。此外增設特殊情況評價方法，如主要化學成分、脫硝效率、SO2/SO3轉換率以及機械強度的嚴重不達標現象等等。通過不同權重的評價結果最終將SCR催化劑的綜合質量等級劃分為“綠色、黃色、橙色、紫色和紅色”五個等級（如圖3所示），從而實現脫硝催化劑評價的標準化、程序化和規范化。催化劑綜合質量等級“五色評價體系”這一理念是國內首次提出，在國際上前期也未曾見諸報端，通過催化劑性能檢測可以實現催化劑質量等級的評價劃分，以指導催化劑的安裝與運行。

（二）協同SCR裝置的性能驗收和催化劑的定期抽檢實現催化劑的壽命評估管理，有效延長催化劑的實際使用壽命。

基于實驗室檢測評價的SCR催化劑質量管控是保障催化劑采購質量的關鍵，更是保障SCR脫硝工程質量的基礎，而進一步保障SCR脫硝裝置的運行性能水平就必須緊密圍繞項目現場開展SCR催化劑的性能檢測與壽命管理工作。

圖3 SCR脫硝催化劑質量等級評價標準

SCR催化劑投運后的SCR脫硝裝置性能驗收主要是針對SCR脫硝系統展開，重點檢測脫硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3轉化率以及系統阻力等工藝特性指標。性能驗收一般在SCR脫硝改造工程正常運行6個月內進行，既是催化劑自身性能的真實體現，更能及時反饋SCR脫硝工程的運行情況。SCR脫硝工程的性能驗收是催化劑在等比例真實脫硝系統內真實煙氣環境中的實際性能檢測，而催化劑的實驗室檢測評價是催化劑在小比例脫硝反應器內模擬煙氣環境中的模擬實際性能檢測，通過兩者檢測結果的互為對比反饋可以真實反映SCR脫硝裝置的實際運行狀況和SCR催化劑的真實性能，有助于及時發現SCR催化劑的運行異常并采取相應的改進措施，更能進一步促進實驗室SCR催化劑檢測評價技術的發展。在華電集團開展的相關工作中，SCR催化劑投運后產生的SCR脫硝裝置的運行隱患問題有超過50%在該環節得到了體現。

SCR催化劑在投運后受到運行時間和運行條件影響其性能水平逐漸下降，其中催化劑的活性是其使用壽命的重要考量指標，而催化劑的活性是催化劑使用環境及其自身特性的綜合表征，因此催化劑的活性必須通過實際條件下的性能檢測來體現。基于此，需及時對運行中的催化劑開展定期的抽樣性能檢測和壽命評估，通過分析對比新鮮催化劑與運行中催化劑的性能特征差異，及時掌握催化劑的運行效果，同時及時評估催化劑的實際性能水平，以指導SCR脫硝工程優化調整，進一步延長催化劑的實際使用壽命，降低SCR脫硝裝置的運行成本。

（三）依托催化劑“強檢要求”構建SCR催化劑過程化質量管控和壽命管理模式，進一步延長催化劑的實際使用壽命。

本項目依托《強檢要求》構建了脫硝催化劑過程化質量管控和壽命管理模式，該模式緊密圍繞催化劑的“性能檢測、質量評價、壽命評估”展開，涵蓋了催化劑生產、檢測評價、運輸、投運檢測、性能跟蹤等各個環節，如圖4所示。檢測是催化劑管理的重要節點，而評價、評估則是催化劑質量評判的重要依據。在催化劑從生產到運行的過程中實現監造到監測的流程化質量管控，切實將催化劑生產過程中的駐場監造、催化劑生產后的及時性能檢測、催化劑到廠后的實時驗收以及催化劑運行過程中的定期壽命和性能評估等一系列管理模式運用到脫硝技改工程中，實時掌握催化劑的性能水平、發現催化劑運行異常、配套制定針對性措施，切實延長催化劑壽命，減少脫硝裝置運行成本。

圖4 SCR脫硝催化劑過程化質量管理模式

自華電集團開展SCR催化劑質量管理工作至2015年，通過實施本項目，已成功地對300余臺次脫硝機組SCR催化劑進行了質量管控和壽命評估管理工作，如表1所示，使得進入華電集團的SCR催化劑整體質量得到明顯提升。

表1 總體等級統計分布

四、項目主要創新點

本項目針對國內大規模SCR脫硝工程對優質催化劑的需求和SCR催化劑質量參差不齊之間的矛盾，構建了適應國內火電廠SCR催化劑的質量與壽命管理體系。項目主要創新點如下所示：

（一）國內外首創了SCR脫硝催化劑綜合質量等級“五色評價體系”實現催化劑檢測評價的標準化、程序化和規范化，有效地實現了催化劑質量的可控、在控，保障了SCR脫硝裝置乃至整個機組的可靠性。

（二）協同SCR裝置的性能驗收和催化劑的定期抽檢實現催化劑的壽命評估管理，有效地延長了催化劑的實際使用壽命。

（三）構建了SCR催化劑過程化質量管控和壽命管理模式，建立了華電集團脫硝催化劑檔案并構建催化劑性能檢測參數原始數據庫，切實保障火電廠SCR脫硝工程質量，降低脫硝裝置運行成本。

五、項目實施效果

（一）近期效果

通過本項目的應用，在近年來脫硝催化劑市場較為混亂的形勢下為保障華電集團火電廠脫硝工程質量做出了突出貢獻。2013年至今，通過本項目的實施，有效地保證了進入華電集團的催化劑的質量，為部分項目單位（如龍口電廠、濰坊電廠、大龍電廠等）挽回了近2000萬元直接經濟損失，更為華電集團避免了近2億元的間接經濟損失，受到了各發電企業的高度好評，亦取得了行業內的肯定與贊賞。

其中，龍口電廠（原百年電力）6號機組通過催化劑檢測簽訂了催化劑質量保證協議，根據協議免費更換了催化劑，減少損失近600萬元；大龍電廠2號機組通過催化劑檢測簽訂了催化劑質量保證協議，根據協議免費更換了部分催化劑，減少損失近500萬元。

（二）遠期效果

本項目的實施將新鮮脫硝催化劑的質量管控和運行中催化劑的壽命評估管理相結合，即以催化劑性能的科學化檢測為基礎，以催化劑的標準化、程序化和規范化的質量等級評價標準為指導，以控制催化劑的質量和延長催化劑的實際使用壽命為目標，及時評估診斷催化劑性能，優化調整催化劑的運行工況，延長催化劑的使用壽命。該體系已建立起華電集團脫硝催化劑性能檢測參數的原始數據庫，為開發國內具有自主知識產權并能適應國內SCR脫硝裝置的催化劑性能檢測評價技術和設備提供支撐，更為下一步構建適合我國現狀的SCR催化劑全壽命管理體系提供科學數據和關鍵的技術支持。因此本體系的開發與實施具有極大的社會效益和經濟效益。

（三）社會效益

本體系實施后，能夠保障催化劑的質量，保障脫硝裝置安全穩定運行，進而可以有效地控制火電機組NOx排放量，將有助于改善大氣環境，具有良好的宏觀社會效益；此外通過提高催化劑質量可以延長催化劑的實際使用壽命，從而減少催化劑的更換量和廢棄催化劑的量，固體廢棄物的減少也具有良好的社會效益。另一方面，本項目所提出的脫硝催化劑綜合質量等級“五色評價體系”為國內外首創，推廣應用后在行業內引起了巨大關注與反響，大唐電科院、國電電科院等兄弟單位及多家主流催化劑廠家多次專程來華電電科院就催化劑檢測評價工作開展經驗交流和學習，積極推動了行業的發展。

（四）經濟效益

由于SCR催化劑成本約占整個脫硝系統工程投資的30%，而在運行費用中，除還原劑消耗外，催化劑更換占據了絕大部分費用，因此本項目的實施，可幫助華電集團投運SCR裝置的各電廠保障催化劑質量，具有顯著經濟效益。

近期經濟效益為：自本項目實施以來，已完成300余臺次催化劑質量管控和壽命管理工作。對于項目單位而言，前期檢測評價等級為紫色的機組在運行一段時間后均出現了催化劑質量事故，而相關電廠根據評價處理意見已與催化劑廠家簽訂了質量保證協議，從而避免了因催化劑質量不合格帶來的經濟損失。以單臺600MW機組初裝600m3催化劑、催化劑單價為15000元/ m3計，可為項目單位減少600×15000=900萬元經濟損失。

遠期經濟效益為：本項目形成的催化劑性能檢測平臺與原始數據庫，為下一步開展脫硝催化劑壽命全過程閉環管理打下堅實基礎。以華電集團在役200套SCR脫硝裝置、每臺機組催化劑量為300m3進行估算，通過該體系的實施，催化劑實際使用壽命由24000h延長至28000h，則每年可節省催化劑更換量約為1600 m3，按催化劑單價為15000元/ m3計，則遠期來看每年可為華電集團減少2400萬元脫硝運行費用。

六、小結

通過本項目的實施，可以控制催化劑的質量，從而保障脫硝工程的質量，進一步對運行中催化劑的性能進行檢測可以實時掌握脫硝催化劑的性能水平、評估診斷催化劑性能、及時發現催化劑的運行異常、配套制定針對性措施。將催化劑檢測與現場性能試驗相結合，預測并指導現場性能試驗，評估脫硝裝置的性能，通過現場性能試驗驗證催化劑試驗結果，以氨逃逸濃度為指標預測性能超標時間（即催化劑調整時間），為催化劑壽命評估提供科學依據，從而有計劃地進行脫硝裝置檢修維護與催化劑補充/更換/再生，最大化發揮催化劑潛力，延長催化劑使用壽命。