淺析燃煤電廠再生催化劑的壽命管理技術

尹順利 ，盧志飛 ，尤吉義， 劉長東 ，趙會民

(1.浙江浙能催化劑技術有限公司，浙江 寧波 315612； 2.淮浙煤電有限責任公司鳳臺發電分公司，安徽 淮南 232131)

0 引言

脫硝催化劑的壽命管理是一項復雜的技術，通過對電廠設備的運行調整、氮氧化物(NOx)排放的要求、燃煤煤種的選擇和脫硝系統運行技術等因素進行綜合評估，可優化脫硝催化劑的選擇，較大程度地延長催化劑的使用壽命，并在保證脫硝效果的前提下實現良好的技術經濟性[1]。失活催化劑的產生是選擇性催化還原法(SCR)脫硝催化劑壽命管理技術無法回避的問題。再生利用是處置失活催化劑的重要方式，它的使用也存在壽命管理的問題。與新催化劑壽命管理技術不同，催化劑再生前已經在復雜工況下長時間高溫運行，其運行情況、失活原因、再生工藝等因素對于再生催化劑壽命有重要影響。在國外，壽命管理理念已充分融入選擇性催化還原技術[2]，而國內脫硝催化劑壽命管理技術的工業應用尚處于初級探索階段[3]。本文結合催化劑的失活及其再生應用全過程，重點介紹了再生催化劑壽命管理技術，為燃煤電廠實施脫硝催化劑再生提供參考。

1 再生前技術分析

1.1 運行情況評估

燃煤機組負荷浮動、煤種變化、燃燒方式調整、技術人員水平等都會影響煙氣參數，導致SCR脫硝系統的實際運行工況與設計值存在偏差。此外，由于國內SCR脫硝技術研究及應用較落后，在脫硝系統工程設計、施工和催化劑采購過程中也可能存在技術偏差。例如，當煤質與設計煤種一致時，部分機組仍出現比較嚴重的失活催化劑堵灰問題，這很可能是由于新催化劑在采購時節距選型失誤所致。催化劑節距等幾何參數一經確定，將無法在再生過程中改變，這就需要電廠選用煤質更好的低灰煤并加大吹灰強度，方能降低堵灰對催化劑的影響，延長催化劑的使用壽命。因此，若想提高再生催化劑的壽命管理技術，需要對催化劑再生前的機組運行狀況，尤其是實際工況與設計值間的偏差，有較為詳細的了解。

1.2 失活原因分析

SCR脫硝催化劑的失活類型可分為物理失活與化學失活。常見的物理失活包括破損、磨損和堵孔，常見的化學失活包括中毒和燒結。破損、燒結的催化劑不可再生，而其他類型的催化劑失活則需要檢測相關指標后才能確定是否可以再生。例如，機械強度比較弱的催化劑即使外觀完整，但再生后在高塵環境中可能出現破損甚至坍塌，無法保證脫硝效果。此外，不同失活類型的催化劑再生工藝也有差別。因此，需要對失活催化劑進行多項性能檢測(見表1)，以判定失活催化劑是否可再生，并為可再生催化劑的再生工藝設計提供依據，保證再生后催化劑的活性得到有效恢復、活性衰減速度與新催化劑相當。

表1 失活催化劑檢測項目

1.3 再生工藝設計

由于催化劑的運行工況不同，催化劑的失活原因、失活程度也有差別，因此需要設計針對性的再生工藝，以最大程度清除催化劑中的有毒有害物質。尤其在機組運行情況評估中，發現機組存在擴容、超低排放改造、深度調峰等重大調整時，脫硝系統運行工況會隨之發生較大變化，僅將催化劑活性恢復至新催化劑水平并不能滿足運行需求。此時，需要對催化劑進行拓寬溫度窗口、抗中毒等改性再生，從而使其在運行工況變化時仍能達到脫硝性能最優化。

2 再生生產工藝控制

2.1 保證機械強度

為保證再生過程中催化劑的機械強度，采用近中性清洗液對催化劑進行清洗，并在保證清洗效果前提下盡可能縮短清洗時間，減少洗液、鼓泡、超聲等對催化劑基體機械強度的影響。此外，催化劑進行熱處理時，應嚴格控制失水速率，防止因水分揮發過快等原因產生的熱應力導致的催化劑微觀結構的破壞，甚至出現宏觀裂紋。

催化劑的磨損多出現在迎風面，對迎風側進行端部硬化處理是提高催化劑抗磨損能力的重要手段，端部硬化液的選擇也十分重要。但只含硬化助劑的端部硬化液，雖然可增強催化劑的抗磨損能力，但會使經硬化處理的催化劑損失脫硝活性[4]。因此，需要采用具活性的端部硬化液，在提高催化劑抗磨損能力的同時保證其脫硝性能不受影響。

2.2 控制活性衰減速率

再生過程中，應將催化劑中有毒有害物質含量作為重要的質量控制指標。有毒有害物種在再生催化劑殘留過多，會遷移并導致催化劑快速失活。為了有效抑制這一問題，需要根據有毒有害物質的物化特性，設計形成多重的清洗再生方式，使其在再生催化劑中的含量降低至新催化劑的水平。

此外，還需要根據活性組分的熱分解性質，確定合理的再生催化劑煅燒溫度。合理控制煅燒溫度可調整活性組分前驅體的分解程度，及其在催化劑中的微觀形態，使活性組分處于高活性狀態并均勻分散在催化劑表面及微孔結構中。高活性且均勻分散的活性物種可有效延緩催化劑的活性衰減速率。

3 再生催化劑運行管理

3.1 噴氨控制

噴氨量對于脫硝效果有直接影響：氨氮摩爾比過低則NOx脫除效率不能滿足要求，氨氮摩爾比過高則造成氨逃逸超標和硫酸氫銨的沉積。影響氨氮摩爾比的因素主要有氨氣噴入量、流場分布等。所以，脫硝系統運行技術人員應將每周的噴氨量進行記錄對比，防止噴氨過量或噴氨不足等問題的出現；同時對流場分布進行評估，使氨氣與煙氣均勻混合，從而避免局部氨氮摩爾比與設計值偏差過大。

3.2 溫度控制

為保障脫硝系統的安全穩定運行，催化劑廠家一般都設定了最低噴氨溫度和限制噴氨溫度。當煙氣溫度低于最低噴氨溫度時，應及時停止噴氨，脫硝系統退出運行；當煙氣溫度低于限制噴氨溫度時，應盡量縮短低溫運行時間(一般小于10 h)，并及時拉高負荷，使煙氣溫度升高至300 ℃以上，使高溫運行與低溫運行的時間相同，促進硫酸氫氨的高溫分解。綜上，應注意觀察煙氣溫度變化情況，以及時調整脫硝系統的運行狀態。

3.3 積灰控制

我國脫硝反應器主要采用高灰布置方式，煙氣中的粉煤灰容易沉積在催化劑防塵網及孔道中，如果不及時清除，會導致催化劑堵塞，影響脫硝效果。為了控制積灰，首先在產品驗收時應嚴格控制蜂窩式再生催化劑的通孔率，每個模塊的通孔率應保持在98%以上。其次利用脫硝系統各催化劑層配置的吹灰裝置對積灰進行清除。常見的吹灰裝置為蒸汽吹灰和聲波吹灰。其中，蒸汽吹灰器為間歇式運行，要設定合理的清灰運行流程；聲波吹灰器為連續運行，操作則較為方便，但需要加強設備的維護保養。最后，需加強對脫硝催化劑層、空預器差壓的監視，當其壓力升高時，應加大吹灰力度，強化吹灰效果。

4 停機檢測

4.1 催化劑性能評估

由于實際運行工況復雜多變，再生催化劑活性衰減速率可能與設計曲線出現偏差，因此至少每年每層須取1根抽樣單元進行性能檢測。以檢測結果為依據，對催化劑壽命進行評估，并制定合理的催化劑運行、更換方案。本文采用浙江浙能催化劑技術有限公司引進的美國康美泰克公司的先進檢測平臺，并率先以企業標準的形式在浙江省能源集團實施催化劑壽命管理理念的規范化。

4.2 催化劑破損統計

脫硝催化劑的機械壽命一般按照10年設計。但其失效受煙氣條件影響較大，且多具有不可逆性。與新催化劑相比，再生催化劑已運行了1～2個化學壽命周期，機械強度有所降低，更容易出現破損。停機時，應及時統計催化劑破損情況并安排更換，保證NOx達標排放；同時要分析催化劑破損原因，以便優化運行方式來延長催化劑使用壽命。

4.3 脫硝系統設備整體檢查

脫硝工藝系統包括供氨系統和反應器系統，其中反應器系統對于脫硝系統的性能至關重要。在停機檢修期間，需要對反應器各設備進行維護保養，保證噴氨量可控、流場分布均勻、積灰清理及時等，具體檢修設備及項目見表2。

表2 脫硝反應器關鍵部件停機檢修項目

5 結論

再生催化劑壽命管理技術的研究及工業應用對于燃煤電廠安全穩定運行及降低脫硝成本具有重要意義，但在國內還未引起足夠的重視。本文結合催化劑的失活及其再生應用全過程，重點介紹了再生催化劑壽命管理技術，為燃煤電廠實施脫硝催化劑再生及再生催化劑的應用提供參考。

(1)再生前需要對失活催化劑性能、機組運行情況進行綜合評估，為機組及脫硝系統運行方式優化、再生工藝設計提供依據。

(2)再生生產中，應采取溫和、高效的再生方法，在清除有毒有害物質、恢復催化劑活性的同時，保證催化劑機械強度不明顯降低，并降低催化劑的活性衰減速率。

(3)再生催化劑運行管理期間，需要嚴格控制氨氮摩爾比、煙氣溫度、積灰情況等，保障脫硝系統的安全穩定高效運行。

(4)每年需對催化劑進行停機抽樣檢測，對催化劑性能和破損情況進行統計分析，對設備進行檢查維護，優化脫硝運行管理技術水平，保障機組NOx達標排放。