火电厂SCR运行性能诊断技术研究(定稿11-25)

火电厂SCR运行性能诊断技术的应用

王乐乐，宋玉宝，赵俊武，牛国平，孔凡海，杨 恂

西安热工研究院有限公司苏州分公司，江苏 苏州215011

Application of Performance Diagnostic Technology for SCR Equipment in Power Plant

WANG Lele, SONG Yubao, ZHAO Junwu, NIU Guoping, KONG Fanhai,YANG Xun

Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. Suzhou Branch, Suzhou 215011, China

ABSTRACT: To meet the new environmental standards, Most of domestic power plants will gradually complete denitrification retrofit .Some Selective Catalytic Reduction equipments have problems of too large ammonia slip, high system resistance, Ammonium bisulfate ( ABS )corrosion for AH and Catalyst needing to replace due to deactivation. By means of field test and analyzing the catalyst performance in a laboratory, giving a comprehensive evaluation of the SCR equipment for a 1036MW unit. By analyzing these data, which can help give reasonable proposals for SCR management, such as catalyst replacement and ammonia injection system transformation. The performance diagnostic provides basis to formulate catalyst replacement strategy scientifically, the method of performance diagnostic is applicable for SCR equipment to other types of units.

KEY WORDS: 1036MW Unit, SCR equipment, Performance diagnostic, Improvement Retrofit

摘要：为满足新的环保要求，国内火电厂将逐步完成脱硝改造，部分现役SCR装置运行过程中存在着氨逃逸浓度过大，系统阻力偏高，空预器ABS腐蚀及催化剂活性降低面临提效改造等一系列问题。通过对某火电厂SCR装置的现场脱硝性能测试和催化剂实验室分析，对装置的性能进行了全面评价。根据评估结果对系统存在的问题及原因进行了诊断分析，提出了SCR催化剂更换、氨喷射系统改造的建议。SCR装置运行过程中的性能诊断技术为电厂分析脱硝运行中的问题及科学制定催化剂更换管理策略提供了依据，性能诊断的方法同样适用于其它类型机组的SCR装置。 关键词：1036MW；SCR装置；性能诊断；提效改造

0 引言

按照新的环保标准[1]，国内几乎所有火电厂燃煤机组都将增加SCR烟气脱硝装置。部分现役SCR装置运行过程中出现氨逃逸浓度过大，系统阻力偏高，空预器ABS腐蚀严重及催化剂活性降低面临着提效改造等问题。如脱硝反应器出口氨逃逸浓度过大可能与与催化剂设计裕量偏小，喷氨不均匀，实际烟气量偏大，入口NOx偏高，催化剂中毒引起的活性降低等多种因素有关；系统阻力偏大则可能由催化剂堵塞，烟道积灰，烟气量偏大，流场优化设计不到位等因素引起；催化剂失活可能与催化剂磨损、烧结、孔道堵塞及中毒有关。要解决这些问题，首先要对现有SCR装置的性能做整体、全面的评估[2]，根据评估结果对存在的问题进行诊断，并提出优化或改造建议。只有充分掌握设备运行现状，才能为下一步优化和改造提供准确的边界条件，为科学地制定全面、合理的改造决策提供依据。

国内某火电厂的烟气脱硝SCR装置于2009年6月投入运行，按照入口NOx浓度300mg/m3和60%脱硝效率进行设计，当前设备的连续运行时间已超过催化剂的设计化学寿命，且存在反应器出口氨逃逸偏差大，下游空预器硫酸氢铵堵塞等问题[3]。为解决氨逃逸偏大及满足100 mg/m3的NOx排放标准要求，现有SCR装置须进行提效改造。由于催化剂的失活程度受SCR装置运行条件的影响，提效改造不是简单的增加一层和原催化剂层相同的备用层催化剂就可以满足要求。在制定合理的改造决策前，需对SCR装置的运行性能进行测试评估[2]，如分析现有SCR装置的的运行环境（烟气条件）是否与设计条件差别较大，脱硝装置的各项运行指标是否合理，分析催化剂的失活原因，评估脱硝辅助系统容量是否满足提高效率的需要等。全面的SCR性能评估包括现场性能测试，了解脱硝装置的实际运行燃料特性、烟气参数、最

大安全效率、SO2/SO3转化率、系统阻力等，采集代表性的催化剂测试条块分析催化剂几何特性、工艺特性、理化特性等分析催化剂的失活原因。 1 设备简介

某火电厂的SCR装置随锅炉同期建设，采用高灰型工艺，蜂窝型催化剂（节距7.6mm，壁厚0.96mm。），按照“2+1”模式布置，备用催化剂在最下层，每层催化剂上方设蒸汽吹灰器。SCR装置内沿烟气流程方向通过设导流板、静态混合器和整流器等装置使进入催化剂上方的烟气流场均匀。氨与稀释风混合后经混合型氨喷射系统进入SCR烟道，每个反应器在入口垂直段烟道沿炉宽方向设19只喷氨支管，每根支管布置4个喷嘴，相应支管上设有手动蝶阀以调节氨喷射流量，实现烟道截面上宽度方向的氨喷射流量分配。SCR装置的设计烟气参数见表1。

表1 脱硝系统入口烟气参数（设计煤种）

Table 1 Flue gas data of inlet of SCR

项 目 单位 数 据（湿基） 数 据（干基） 省煤器出口烟气成分（过量空气系数1.15） CO2 Vol% 15.1 16.6 O2 Vol% 2.5 2.77 N2 Vol% 72.8 80.53 SO2 Vol% 0.038 0.042 H2O Vol% 9.6 -

锅炉不同负荷时的省煤器出口烟气量和温度 项 目 BMCR BRL 75%THA 50%THA 燃煤量（t/h） 375.6 366.7 272.4 188.1 烟气含氧量vol% 2.5 2.5 3.1 4.1

3

湿烟气量（m/h) 6710800 6533100 4856600 3521400 烟气温度℃ 377 375 355 347

2 性能评估

SCR装置的性能现状评估需综合现场性能测试和催化剂的微观性能检测，分析催化剂活

性降低的规律和原因，为SCR的脱硝性能提效改造提供科学依据。

2.1 现场测试

（1）煤质参数

脱硝装置的性能及催化剂中毒与烟气参数，尤其是煤质特性有较大关系[4]。SCR装置的设计和实际燃煤特性见表2。锅炉设计煤种为神府东胜烟煤，日常煤质相对稳定，性能评估试验期间煤质灰分、硫份含量相对较低，煤灰成分中碱土金属CaO的含量偏高。

表2 脱硝设计及试验煤质

Table 2 Properties of coal for design and test

检测项目 全水分 空气干燥基水分 收到基灰分 干燥无灰基挥发分

符号 Mt Mad Aar Vdaf

单位 % % % %

设计煤 14.0 8.49 11.0 36.44

试验煤 22.4 9.14 9.60 48.79

收到基碳 收到基氢 收到基氮 收到基氧 全硫

收到基低位发热量 飞灰中二氧化硅 飞灰中三氧化二铝 飞灰中三氧化二铁 飞灰中氧化钙 飞灰中氧化镁 飞灰中氧化钠 飞灰中氧化钾 飞灰中二氧化钛 飞灰中三氧化硫 飞灰中二氧化锰

煤中氟 煤中氯 煤中砷 煤中铅 煤中汞

Car Har Nar Oar St,ar Qnet,v,ar SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Na2O K2O TiO2 SO3 MnO2 F ar Cl ar As ar Pb ar Hg

% % % % % MJ/kg % % % % % % % % % % µg/g % % µg/g µg/g 60.33 3.62 0.69 9.95 0.41 22.76 36.71 13.99 13.85 22.92 1.28 1.23 0.72 51.19 3.53 0.85 12.02 0.41 19.29 61.38 14.90 9.55 6.51 3.86 0.23 0.96 1.18 0.50 0.044 78 0.008 0.0012 2 0.07

（2）脱硝性能

为准确评估脱硝装置的性能变化趋势，首先进行现场性能测试，测试结果与SCR装置的设计指标和初期性能考核试验结果进行了对比，如表3中所示。分析表中数据得出，SCR装置设计脱硝效率60%，初期考核试验期间，在脱硝效率为64.43%时，氨逃逸浓度接近保证值3µL/L[4]。本次性能评估测试期间，在脱硝效率59.4%时，对应氨逃逸浓度5.98µL/L[5]，超出设计值较多，说明催化剂在运行时间超过其化学寿命24000h后活性降低明显；初期性能考核试验结果和本次性能摸底试验中的SO2/SO3转化率均较低，且呈逐渐降低趋势，这可能与与催化剂运行3年多后，V2O5等活性物质减少有关；SCR装置设计系统阻力760Pa，初期考核结果和本次测试值均接近870Pa，超出设计阻力值较多，分析原因得出：在脱硝装置内部未出现明显积灰现象时，省煤器出口至喷氨格栅入口段烟道阻力偏大（最高值达400Pa）是主要原因。

表3 SCR脱硝装置的设计性能参数

序号 1 2 3 4

Table 3 Design performance of SCR equipment 项 目 单位 性能设计值 初期考核值 评估测试值

% 64.43 59.4 ≥60 脱硝效率

µL/L 2.93 5.98 ≤3 氨逃逸浓度

% 0.47 0.34 ≤1.0 SO2/SO3转化率

Pa 879 870 ≤760 系统阻力

（3）反应器出口NOx分布偏差

试验期间，满负荷下测得SCR反应器入口截面NOx分布较为均匀的情况下，出口截面的NOx分布相对标准偏差分别为40.8%和42.1%，两侧反应器出口截面NOx分布均呈现出由后墙向前墙方向的阶梯型分布，如图1所示。反应器出口截面的NOx分布偏差过大由入口喷氨不合理所致，而SCR装置此前已进行过喷氨优化试验[6]，这与现有氨喷射系统的单向调节功能有关，即通过喷氨优化调整试验只能改善反应器宽度方向的NOx分布均匀性，而无法实现深度

方向的喷氨量调节。

图1 SCR出口截面的NOx分布 Fig.1 NOx distribution of SCR reactor outlet

（4）最大安全脱硝效率

为进一步评估SCR装置现役两层催化剂的脱硝效果，依据前述脱硝效率和氨逃逸测量结果，逐步减少喷氨量，寻求SCR出口氨逃逸浓度接近3µL/L时对应的脱硝效率。试验期间，当脱硝效率降低至47.2%时，对应出口氨逃逸浓度2.98µL/L，如图2所示。据此估算，在保证氨逃逸浓度不超过3µL/L

情况下，当前催化剂的最大脱硝效率约为47%。

图2不同工况下的脱硝效率和氨逃逸

2.2 催化剂检测

Fig.2 Denitrification efficiency and ammonia slip of Different conditions

SCR装置于2009年6月投产，催化剂累计通烟气时间已超过24000h。在A、B侧反应器上层各采集1块现役催化剂，并采集2块新鲜催化剂样品，进行单元体几何特性（几何尺寸、几何比表面积）、理化特性（微观比表面积、孔容、主要化学成分）及活性的检测。通过检测新鲜催化剂活性（K0）与本次测试的现役催化剂活性（K），计算K/K0系数，结合物化分析结果， 对催化剂的失活程度及失活原因进行评价，为催化剂的更换管理提供决策依据。

（1）外观检查

现役催化剂测试单元体外观见图3，SCR装置经过长期持续运行，催化剂存在不同程度

的破损及壁厚变薄、开裂和穿孔现象。催化剂整体清洁效果较好，只有少量靠近边缘处的催化剂通道出现堵塞。根据电厂检修记录，催化剂未出现大面积坍塌、断裂及明显积灰等现象。

图3 现役催化剂测试条块外观检查

Fig.3 Appearance test of exposed catalyst sample

（2）几何特性

对比新旧催化剂内外壁厚的检测结果不难发现，受飞灰磨损等因素的影响，现役催化剂内、外壁厚及比表面积（采用康塔2000e比表面积仪测量）均存在不同程度的减小(见表4)，其中整体比表面积由454.87m2/m3降低到443.86m2/m3。

表4几何特性测量结果

Table 4 Test result Geometry properties 参数 新鲜样 现役样

20 20 孔数

L mm 645 643

mm 153.88 154.12 LA-横向长度

mm 153.84 154.37 LB-纵向长度

mm 0.96 0.93 内壁厚度

mm 1.43 1.39 外壁厚度

m2/m3 454.87 443.86 几何比表面积

（3）活性系数

催化剂的的效率、活性等指标检测在催化剂检测实验室平台上进行[7]，检测系统流程如图4所示。在设计烟气条件下，根据新鲜催化剂及所取催化剂单元体样品的脱硝效率和氨逃逸检测结果，对催化剂当前活性（k）和初始活性（k0）进行计算，结果见表5。结果表明活性系数k/k0值约为0.71，接近催化剂寿命管理曲线（设计效率60%）的更换阀值，因此需考虑进行催化剂更换（或再生），以维持设计脱硝性能。

图4 催化剂活性检测实验台

Fig.4 Testing devices of catalyst activity

表5 催化剂活性检测结果

Table 5 Results of catalyst activity test 项目 单位 新鲜 现役

℃ 377 377 温度

Ugs m/s 2.03 2.03

32

AV m/h/m 12.32 12.32

m/h 37.2 26.5 活性

- 1 0.71 活性系数（k/k0）

（4）抗压强度

与新鲜催化剂相比，现役催化剂样品的径向和轴向抗压强度均有不同程度的下降，其中径向抗压强度下降幅度为7.5%，轴向抗压强度降幅达15%。样品抗压强度检测结果见表6。

表6 抗压强度的检测结果

Table 5 Results of catalyst strength test

检测催化剂

单位

现役样 新鲜样

MPa 0.37 0.40 MPa 2.43 2.85

项目 径向抗压

轴向抗压

（5）化学成分

采用X射线荧光光谱仪（Thermo PX9）对受测催化剂样品表面化学物质成份进行分析，XRF分析结果见图5。催化剂样品表面碱金属（K、Na、Mg）含量较低，说明碱金属中毒的影响不是本项目催化剂失活的主要原因；进一步对比新鲜催化剂样品的检测结果得出，现役催化剂样品孔道表面Si、Ca、S的含量显著提高，催化剂内部微孔通道及表层被硫酸硅和硫酸钙颗粒堵塞，催化剂碱土金属中毒的机理如图6所示，催化剂表面被CaSO4包围后，阻碍了反应物在催化剂表面的吸附及进入催化剂微孔内，造成其活性降低[8]。

图5 新旧催化剂表面化学成分

Fig.5 Chemical composition of fresh and exposed catalyst samples

图6 碱土金属(钙)离子对催化剂活性的影响[9]

Fig.6 The effect of alkaline earth metal (calcium) ions on the catalyst activity

3结论

通过对某火电厂SCR烟气脱硝装置的现场性能测试和催化剂实验室检测分析，掌握了SCR装置的运行现状及催化剂的失活趋势和原因。SCR运行过程中需定期进行性能评估，诊断系统运行存在的问题，诊断结果可作为系统运行及制定优化改造决策的依据。

评估测试期间，满负荷下的SCR入口烟气流量接近设计值2789690m3/h（标态，湿基，实际氧），催化剂通道内的烟气流速为5.76m/s，流速较为合理，这与催化剂运行中未出现明显积灰和冲刷破损的结论一致；不同负荷下的烟气温度接近设计值；实际燃煤硫含量低于0.5%，灰分含量低于11%，均在设计范围内，催化剂的运行烟气环境整体较好。

SCR出口平均氨逃逸浓度接近3µL/L时，现役两层催化剂的最大脱硝效率仅为47%，SCR装置的脱硝效率下降幅度超过20%，这与催化剂活性检测结果（相对活性0.71）基本一致。催化剂运行已接近寿命管理曲线的更换阀值，需考虑进行更换处理，提高脱硝性能。

SCR装置出口的NOx分布均匀性差，反应器出口截面部分区域氨逃逸浓度过大，这与

AIG喷氨系统的的单向调节功能有关。建议对SCR装置的氨喷射系统进行改造，新的氨喷射系统设计应具备横向和纵向双向调节功能。

满负荷下SCR装置系统阻力达到870Pa，超出其性能保证值，其中烟道系统阻力偏大主要体现在省煤器出口至AIG喷氨格栅段烟道阻力最大值约400Pa。建议结合本次SCR提效改造，对入口烟道内导流板、AIG及静态混合器等的布置进行整体优化设计，以降低系统阻力。

催化剂样品的实验室测结果表明，催化剂活性相对k/k0为0.71，催化剂单元体因磨损壁厚变薄，破裂等引起的催化剂体积量减少，以及由于不可疏通性积灰堵塞引起的有效反应面积降低是整个SCR装置性能降低的主要原因。 参考文献

[1] GB13223-2011,《火电厂大气污染物排放标准》[S]．

GB13223-2011, Emission standard of air Pollutants for thermal power plants[S](in Chinese). [2] 张占峰，赵俊武．烟气脱硝SCR装置运行性能评估[J]．热力发电，2012,41（10）：1-4．

ZHANG Zhanfeng, ZHAO Junwu. Performance Evaluation on Selective Catalyst Reduction Equipment

[S].Thermal Power Generation, 2012,41（10）：1-4． [3] 钟礼金，宋玉宝．锅炉SCR烟气脱硝空预器堵塞原因及其解决措施[J]．热力发电，2012,41（8）：45-50． ZHONG Lijin, SONG Yubao. Air Preheater Blocking in Boiler with SCR Denitrification Device: Reason

Analysis and Solutions [J]. Thermal Power Generation, 2012,41（8）:45-50．

[4] 金理鹏，王勇．烟气参数对选择性催化还原系统设计的影响分析[J]．热力发电，2013,42（8）：124-127． JIN Lipeng, WANG yong. Effect of viscous fly ash on the SCR system design [J]. Thermal Power

Generation, 2013,42（8）:124-127．

[5] 金理鹏．华能海门电厂1号机组SCR装置性能考核试验报告[R]．西安，2010．

JIN Lipeng. Performance testing report of unit 1 SCR device for huaneng haimen power plant [R]. Xi’an,

2010. [6] 王乐乐．《华能海门电厂1、2号机组SCR性能提效评估报告》．西安：西安热工研究院有限公司，2012．

WANG Lele. Performance evaluation report of unit 1and 2 SCR devices for huaneng haimen power plant [R]. Suzhou, 2012.

[7] 杨恂，孔凡海等．SCR脱硝催化剂活性的测量和应用．热力发电，2013,42（1）：15-19．

YANG Xun, KONG Fanhai. Activity of SCR denitrificaton catalyst: measurement and applications [J]. Thermal Power Generation, 2013,42（1）:15-19．

[8] 宋玉宝，杨恂．液态排渣W型高钙烟煤锅炉选择性催化还原改造浅析．中国电机工程学报，2009,29

（supplement）：88-94．

SONG Yubao, YANG Xun. Study on selective catalytic reduction retrofit in the down-shot slag-tap boiler burning hign-CaO shenhua coal [J]. Proceedings of the CSEE,2009,29(supplement):88-94(in Chinese)． [9] 陈进生．燃煤电厂烟气脱硝技术—选择性催化还原法[M].北京．中国电力出版社，2008．

CHEN Jinsheng. The de-NOx technology in thermal power plant —Selective catalytic reduction [M]. Beijing, China Electric Power Press,2008． 作者简介：

王乐乐（1984-），男，河南洛阳人；硕士研究生；专业：热能工程）；工作单位：西安热工研究院有限公司苏州分公司，工程师，主要从事火电厂SCR烟气脱硝技术技术研究。

联系方式：江苏苏州高新区金山路79号，215011，wanglele003@163com。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/nyc1.html