胡小夫，王云，郝正，沈建永，王樺

（中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京100070）

0 引言

火電機(jī)組在燃煤發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化合物（NOx）會(huì)給環(huán)境和人類健康帶來(lái)嚴(yán)重的不良影響，為此國(guó)家要求嚴(yán)格控制NOx的排放量。為了達(dá)到超低排放要求，火電廠在燃煤機(jī)組的尾端安裝煙氣脫硝裝置，其中選擇性催化還原技術(shù)（SCR）是目前控制NOx排放的主流技術(shù)。催化劑作為SCR 脫硝系統(tǒng)的核心，其性能對(duì)系統(tǒng)的脫硝效率有直接影響，但在運(yùn)行過(guò)程中催化劑會(huì)緩慢失活，催化劑的壽命決定著脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行成本［1-7］。

催化劑的化學(xué)壽命是指在催化劑活性能夠滿足SCR 系統(tǒng)脫硝效率不低于85%、氨逃逸率不高于2.3 mg∕L 和SO2∕SO3轉(zhuǎn)化率小于1%時(shí)的壽命，研究發(fā)現(xiàn)SCR脫硝催化劑化學(xué)壽命約為24 000 h［8-9］。通過(guò)對(duì)SCR 脫硝催化劑的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，能夠準(zhǔn)確掌握催化劑的失活程度和剩余使用壽命，使電廠及時(shí)了解催化劑的使用狀態(tài)，并及時(shí)提出催化劑的更換或加裝方案，有利于保證SCR 脫硝系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行［10-11］。

傳統(tǒng)SCR 催化劑壽命管理模型為了簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，一般將氨氮摩爾比（ri）等于1作為假設(shè)條件進(jìn)行模擬計(jì)算，但這與電廠實(shí)際運(yùn)行情況不符，會(huì)對(duì)催化劑壽命預(yù)測(cè)造成誤差［12］。為了使催化劑壽命管理模型更加精確，本論文以燃煤電站實(shí)際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，根據(jù)反應(yīng)期間氨氮摩爾比（γi）的變化情況，提出了SCR 脫硝催化劑壽命在線評(píng)估方法；通過(guò)對(duì)江蘇某電廠#7機(jī)組SCR催化劑物化性能和部分運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再根據(jù)催化劑壽命在線評(píng)估方法對(duì)此催化劑的壽命進(jìn)行在線預(yù)測(cè)，指出該催化劑的失活時(shí)間，并結(jié)合2019年催化劑的檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 研究對(duì)象及評(píng)價(jià)方法

1.1 SCR脫硝催化劑

江蘇某電廠#7機(jī)組裝機(jī)容量為330 MW，該機(jī)組的SCR 脫硝系統(tǒng)包括2層由浙江某公司生產(chǎn)的蜂窩式SCR 催化劑，2013 年投入使用；2017 年新加裝1層由青島某公司生產(chǎn)的蜂窩式SCR 催化劑，采取“2+1”安裝模式。2014—2019 年該電廠每年對(duì)催化劑的性能進(jìn)行取樣檢測(cè)。

1.2 催化劑壽命在線評(píng)價(jià)方法

1.2.1 催化劑活性模型

催化劑活性（Ki）用于衡量催化劑在特定煙氣溫度和流量條件下對(duì)NOx的處理能力。SCR 脫硝催化劑活性指標(biāo)是指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)，也是催化劑壽命預(yù)測(cè)與換裝管理的依據(jù)。每層催化劑在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中的脫硝效率可用式（1）表示，根據(jù)脫硝效率（ηi）建立ηi和Ki之間的函數(shù)關(guān)系［13-14］。

式中：Ki是第i層催化劑單元的活性，m∕h（標(biāo)態(tài)）；AVi是煙氣流經(jīng)第i層催化劑的面速度，m∕h（標(biāo)態(tài)）；γi為第i 層催化劑進(jìn)口的氨氮摩爾比；ηi為第i 層催化劑的脫硝效率。

1.2.2 催化劑失活模型

反應(yīng)初SCR 脫硝催化劑初始活性視為1，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)催化劑活性逐漸下降。根據(jù)催化劑整體失活特性，其失活方程一般具有指數(shù)型特征，方程為

式中：K0是初始活性，m∕h；t為催化劑的投運(yùn)時(shí)間，h；Q為催化劑的失活速率，m∕h。

1.2.3 催化劑壽命在線預(yù)測(cè)方法

文獻(xiàn)［15］介紹了在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境下將2次最近的催化劑活性檢測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)相連接得到催化劑失活曲線，該失活曲線為直線。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)失活曲線進(jìn)行了修正，根據(jù)SCR 催化劑活性模型ηi和Ki之間的函數(shù)關(guān)系將ηi值轉(zhuǎn)換成Ki值，再根據(jù)催化劑失活模型Ki和t 之間的函數(shù)關(guān)系，求得一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的催化劑平均失活速率常數(shù)Q，構(gòu)建出催化劑失活曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑的物化性能

2013—2019 年第1 層催化劑和第2 層催化劑（原第1 層）BET 比表面積（以下簡(jiǎn)稱“比表面積”）變化趨勢(shì)如圖1 所示。由圖1 可知，隨著催化劑服役時(shí)間的增加，第1 層催化劑和第2 層催化劑的比表面積都逐漸降低。第1層催化劑比表面積由新鮮催化劑的45.90 m2∕g 運(yùn)行1 年后（2018 年）下降至45.40 m2∕g，下降幅度約1.09%，運(yùn)行2 年后（2019年）下降至44.90 m2∕g，下降幅度約2.18%；第2層催化劑比表面積由新鮮催化劑的59.29 m2∕g 運(yùn)行1 年后（2014 年）下 降 至52.06 m2∕g，下 降 幅 度 約12.19%，運(yùn)行2 年后（2015 年）下降至48.09 m2∕g，下降幅度約18.89%。催化劑的比表面積下降主要是由催化劑堵塞或催化劑燒結(jié)等原因造成的，運(yùn)行2年后第1層催化劑比表面積的下降幅度要遠(yuǎn)小于第2層催化劑的下降幅度，說(shuō)明第1層催化劑的抗燒結(jié)和抗堵塞的能力要優(yōu)于第2層催化劑。

圖1 2013—2019年第1層和第2層催化劑變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of the first and second layer catalysts from 2013 to 2019

2019 年第1 層和第2 層SCR 脫硝催化劑樣品外觀如圖2 所示。由圖2a 可知，第1 層SCR 催化劑運(yùn)行2 年后，外觀基本良好，略有堵孔現(xiàn)象，內(nèi)壁未受到明顯磨損，孔道結(jié)構(gòu)也未嚴(yán)重破損，說(shuō)明此催化劑具有較好的耐磨性能；由圖2b 可知，第2 層SCR催化劑運(yùn)行6年后，外觀有裂痕破損明顯，內(nèi)壁受到磨損，孔道結(jié)構(gòu)也嚴(yán)重破損，可能需要及時(shí)對(duì)催化劑進(jìn)行再生或更換處理。

圖2 2019年第1層和第2層SCR脫硝催化劑樣品外觀Fig.2 Appearance of SCR denitration catalyst samples on the first and second layer in 2019

2013—2019 年SCR 催化劑脫硝性能檢測(cè)結(jié)果見表1。由表1可知，運(yùn)行1年后（2014年）催化劑活性K1為36.92 m∕h，活性比值（K1∕K0）為0.961 2；運(yùn)行2 年后（2015 年）催化劑活性K2為35.74 m∕h，活性比值（K2∕K0）為0.930 5；增加1 層催化劑后（2017 年）催化劑活性K01恢復(fù)至41.51 m∕h，再運(yùn)行2 年后（2019年）催化劑活性K3為34.26 m∕h，活性比值（K3∕K01）為0.825 3。增加1 層催化劑后運(yùn)行2 年的活性比值（K3∕K01）比2層催化劑運(yùn)行2年的活性比值（K2∕K0）減小11.31%，這說(shuō)明增加1 層催化劑后雖然能提高催化劑的活性，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，催化劑的活性下降速率較快。

表1 2013—2019年SCR催化劑脫硝性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Denitration performance test results of SCR catalyst from 2013 to 2019

2.2 催化劑壽命在線預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)上述催化劑壽命在線評(píng)價(jià)方法，對(duì)江蘇某電廠#7 機(jī)組A 側(cè)SCR 脫硝系統(tǒng)催化劑2018 年1—9月的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得催化劑的失活曲線a，失活曲線a 的方程為Ki=41.5e－0.12t，t 為采樣時(shí)間。根據(jù)失活曲線繪制SCR催化劑的活性K隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖如圖3所示。

由圖3可知，隨著催化劑使用時(shí)間的延長(zhǎng)，其催化活性逐漸降低。當(dāng)催化劑脫硝效率降至85.00%，氨逃逸率為2.3 mg∕L 時(shí)，不能滿足電廠的超低排放要求，需要對(duì)催化劑進(jìn)行更換或再生，此時(shí)催化劑的活性K 降至31.27 m∕h（標(biāo)態(tài)），t1對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為2020 年6 月，此時(shí)間為催化劑化學(xué)壽命的極限值。

因此，通過(guò)收集SCR 脫硝系統(tǒng)的在線運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以對(duì)SCR 催化劑的壽命進(jìn)行在線預(yù)測(cè)，有利于電廠了解催化劑的狀態(tài)，及時(shí)提出催化劑的置換計(jì)劃，確保SCR脫硝系統(tǒng)高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖3 SCR催化劑壽命在線預(yù)測(cè)示意Fig.3 Schematic diagram of SCR catalyst life cycle on?line prediction

2.3 催化劑活性變化趨勢(shì)及在線預(yù)測(cè)驗(yàn)證

2.3.1 催化劑活性變化趨勢(shì)

根據(jù)2013—2016 年催化劑的檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到催化劑的失活曲線b，失活曲線b 的方程為Ki= 38.41 e－0.041t，根據(jù)失活曲線b繪制2014—2016年SCR 催化劑的活性K 隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖；再根據(jù)2.2 節(jié)的介紹（曲線a），共同繪制出2014—2021 年SCR 催化劑活性變化趨勢(shì)圖（如圖4 所示）。由圖4 曲線b 可以看出，2014—2016 年隨著催化劑使用時(shí)間的延長(zhǎng)催化劑活性逐漸降低，在2017 年1 月時(shí)催化劑活性K 降低至33.96 m∕h（標(biāo)態(tài)），活性比值（K∕K0）為0.884 1。

為了提高系統(tǒng)脫硝效率，2017 年電廠新增1 層催化劑，使系統(tǒng)催化劑活性K01恢復(fù)至41.51 m∕h。2018—2021 年SCR 催化劑活性K 隨時(shí)間變化趨勢(shì)如曲線a 所示，隨著催化劑使用時(shí)間的延長(zhǎng)催化劑活性也逐漸降低。比較曲線a 和b，可知曲線a 的失活速率要大于曲線b，這說(shuō)明增加1層催化劑后雖然能提高催化劑的活性，但催化劑本身更容易失活。這可能是由于第2 層和第3 層催化劑一直未更換，這2 層催化劑的運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得催化劑本身磨損變形嚴(yán)重（見圖2b），在服役期間導(dǎo)致催化劑整體活性更易降低。

2.3.2 催化劑壽命在線預(yù)測(cè)驗(yàn)證

2019年8月該電廠委托第三方對(duì)催化劑性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明：當(dāng)氨逃逸率為2.3 mg∕L，SCR催化劑的整體脫硝活性為87.50%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的催化劑的活性K為34.28 m∕h。

根據(jù)SCR 催化劑壽命在線預(yù)測(cè)曲線（見圖4 中曲線a），當(dāng)催化劑的活性K為34.28 m∕h（標(biāo)態(tài)）時(shí)，t2對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為2019 年6—7 月，與電廠2019 年第三方檢測(cè)時(shí)間（2019 年8 月）基本一致，這說(shuō)明本文提出的催化劑壽命在線預(yù)測(cè)方法基本準(zhǔn)確，該預(yù)測(cè)方法可在各電廠中推廣使用。

當(dāng)催化劑脫硝效率降至85%時(shí)，催化劑的活性K 降至31.27 m∕h（標(biāo)態(tài)），對(duì)應(yīng)的時(shí)間為約2020 年6月，此時(shí)間可能需要對(duì)催化劑進(jìn)行更換或再生處理。

圖4 SCR催化劑活性隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.4 Variation trend of SCR catalyst activity

3 結(jié)束語(yǔ)

研究SCR 催化劑的壽命預(yù)測(cè)方法，使電廠及時(shí)掌握催化劑的失活程度和剩余使用壽命，有利于提高SCR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

本文根據(jù)SCR 脫硝系統(tǒng)反應(yīng)期間氨氮摩爾比的實(shí)際變化情況，結(jié)合催化劑活性模型和催化劑失活模型，提出了SCR 催化劑壽命在線評(píng)估方法；通過(guò)對(duì)SCR 催化劑的物化性能和在線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出SCR 催化劑的壽命在線預(yù)測(cè)曲線，并結(jié)合年檢數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建的SCR 催化劑壽命在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性，因此本文提出的SCR催化劑壽命在線預(yù)測(cè)方法可以在各電廠中廣泛推廣使用。