催化剂全寿命管理和优化模式研究.docx

催化剂全寿命管理和优化模式研究

摘要：在当前大气污染治理和能源结构调整的新形势下，SCR 脱硝装置运行稳定性、可靠性、经济性问题日益凸显，而开展脱硝催化剂全寿命管理工作是解决这一问题的关键所在。针对当前国内催化剂市场、脱硝装置运维、检测现状，提出针对催化剂本体及其使用环境，分别在运行、维护、再生阶段可以展开的研究和优化方向，通过监视脱硝系统状况、建立在线监视、预测催化剂的活性，做出针对性的诊断分析，提前进行干预，减缓催化剂的衰减或改善其运行条件，以延长催化剂的使用寿命，是一种基于解决电厂实际问题的研究方向。
关键词：脱硝；催化剂；全寿命管理。

1 研究背景和意义
在大气污染治理和能源结构调整的新形势下，发电企业烟气排放要求日益严格，脱硝暴露出的问题也越来越多。
通过摸排多家电厂、与脱硝有关的各类问题，我们发现，真正的痛点集中表现在两点：达标排放、空预器堵塞。两大问题涉及环保电价、排污费、脱硝成本以及带负荷能力，是与机组的安全、环保、经济性直接关联的。随着深度调峰的要求日益提高，对脱硝进行深度优化管理的要求越来越迫切。
而作为脱硝系统核心的SCR催化剂，如果能够对其进行高效管理，及时准确地预测出催化剂失活趋势和更换时间，并辅以针对性的调整手段，不仅可以保证电厂脱硝的健康运行，还可以最大限度地保障催化剂的有效使用。在催化剂的全生命周期过程中，保证脱硝效率的同时尽可能延长催化剂使用寿命，降低催化剂单位时间使用成本，力争实现运维单价最低。
2 研究方向
实时掌握脱硝催化剂的催化剂性能和剩余寿命对催化剂全寿命管理有着重要指导意义。
2.1从市场角度分析
目前市场上催化剂全寿命管理的概念琳琅满目，包括：催化剂生产时的出厂性能检测、到货验收性能试验、催化剂的三年中试检测评估、再生性能检测以及报废前的性能指标评估。这种寿命管理的模式，其本质均为建立催化剂的活性评价体系，借助检测实验室对催化剂进行定期性能检测、或者借助科研院所的检测力量，对脱硝进行整体性能测试。借助于西安热工院、电科院等具有全尺寸检测能力的院所，脱硝系统整体性能验收费用也较高。
现阶段传统的方法，是借助小试或中试试验平台，通过模拟烟气组分，测出催化剂的活性。通过数学模型拟合催化剂活性的衰减规律，预测催化剂的剩余使用寿命。该类方法需要停机取样，而如燃煤机组长期运行，则难以实时地对脱硝催化剂取样检验其活性。而如果能通过机组DCS数据库计算催化剂活性系数， 预测催化剂活性衰减规律，在线预警催化剂的剩余使用寿命，则将为脱硝催化剂的运行和管理提供参考意见。
2.2从用户问题角度分析
催化剂作为脱硝系统中的核心部件，运行中因为飞灰冲刷、机会、碱金属中毒、活性成分流失、高温烧结等原因而逐渐失活，直接导致脱硝效率的降低和氨逃逸的增大，影响整个脱硝系统的安全经济运行。
整理各电厂脱硝催化剂使用中存在的问题，从设计→采购→安装→调试→使用→维护→报废处置的全过程中，主要存在以下问题：
包括：（1）催化剂的使用问题如堵塞、磨损、烧结或低温失效、中毒、以及正常的衰减失活。对催化剂的当前活性不明、剩余寿命无法判断；催化剂使用接近使用年限末期，脱硝效率无法保证。
（2）催化剂的再生或加层问题。
（3）其它如催化剂设计问题，用量、选型；催化剂的采购与质量控制；催化剂安装的问题。
针对上述问题，在运行维护、再生维护阶段可以展开重点研究。通过监视脱硝系统状况、建立在线监视、预测催化剂的活性，从而做出针对性的诊断分析，提前进行干预，减缓催化剂的衰减或改善其运行条件，以延长催化剂的使用寿命，是基于解决电厂实际问题的研究方向。
图1 脱硝催化剂管理研究思路
3 技术路线
在实验室检测法的基础上，依托电厂大数据库，通过脱硝系统进出口处烟气温度、喷氨格栅处的流速分布，烟气量、脱硝率、氨逃逸等参数进行分析，建立数学模型，探索催化剂活性下降的原因，寻求影响系统安全经济运行的关键因素。

图2 催化剂在线预测寿命路线
但是基于现场使用中的催化剂，其各项参数与实验室检测条件均由不同程度的偏差，这也造成催化剂活性实测值与实验室检测条件下的差异。主要包括：
（1）SCR现场烟气条件差异
实验室对于烟气条件根据设计煤种，烟气成分配置标准烟气，在恒定的设计烟气温度、流量下，进行活性检测，实际现场烟气成分、烟气流量和烟气温度的测试不能完全满足现场燃煤变化的要求未能达到实验室配置所需的标准烟气。
（2）SCR烟气流量差异
由于现场实际煤质与设计煤质变化较大，造成相同锅炉负荷下，SCR烟气流量差异较大，由此影响催化剂活性。另外，现场流量的检测准确性有待进一步精确，否则对活性测试值的影响偏差较大。
（3）SCR入口NOx浓度差异
由于锅炉负荷变化及低氮燃烧的情况，SCR入口NOx浓度实测低于锅炉设计的SCR入口NOx浓度值，由此影响催化剂活性的偏差。
（4）SCR出口氨逃逸差异
实验室SCR氨逃逸的测试根据配气反应后测得，波动较小。但现场实际由于锅炉燃烧的波动、烟道布置的空间限制、流场的分布、取样点的代表性，容易形成烟气中氨/氮混合不均，造成SCR出口测试断面氨逃逸波动过大，甚至超标。
（5）SCR入口烟气温度差异
现场实测SCR入口烟温收到煤种、锅炉负荷、炉内燃烧条件的影响，存在与设计不同的入口烟气温度。
实验室进行催化剂检测的优点是实验条件稳定，可以采用统一标准，准确反映出催化剂的活性状况。但实际使用中的催化剂受流场状况及催化剂的堵塞等影响，是叠加了现场使用条件的一个综合活性反馈指标。
根据催化剂的活性计算公式，计算催化剂在不同在役时间及不同负荷下的催化剂活性，包括：A/B侧 设计参数、负荷、效率、烟气量、氨氮比、面速度、活性。通过导入数据库的历史数据，可以拟合出催化剂的寿命曲线。
SCR催化剂在运行一段时间后，由于催化剂被烟气中微量元素毒害，粉尘及其它化合物堵塞及冲蚀作用等原因都会使催化剂活性表面减小，活性降低。合理的催化剂管理计划能够在不改变催化剂本身的情况下，提高催化剂的使用效率，进而降低催化剂长期使用成本。催化剂使用过程中通过计算得到催化剂活性K的失活模型。

图3 催化剂失活趋势预测
计算出对应负荷下，运行不同小时数，催化剂的相对活性值。
K
K0
相对活性
运行小时数
4 催化剂全寿命管理的内容
催化剂的使用，既决定于其本身的性能状况、在很大程度上又与其使用环境密切相关。也就是说，对催化剂的管理，囊括了催化剂本身健康度的诊断，同时还包含了对脱硝系统性能的优化管理以及运行管理的提优。

催化剂管理是一项综合工程。在了解和掌握催化剂的失活状况后，对其展开针对性的处理。主要包括两个方面，一是对催化剂本体的处理，催化剂失活速率追踪、催化剂添加/更换方案制定；二是对其外环境的优化，包括：浓度场、温度场及速度场，具体到：脱硝系统检查、喷氨格栅调整、脱硝多点测量及喷氨优化调整，流场数值模拟、燃煤状况评估。按照管理对象进行分类，主要包括以下：
表 催化剂全寿命管理内容
序号

项目
管理内容
1
脱硝系统
（全系统）
全寿命管理
基于大数据分析的催化剂寿命预测
2
催化剂
本体
催化剂活性跟踪
催化剂加层/更换方案
催化剂清灰或修复
3
脱硝系统
浓度
多点测量及精准喷氨
基于人工智能的喷氨自动控制策略优化
脱硝系统流场改造
速度
数值模拟
运行管理
智慧监盘（包含故障预警、参数分析：理论与实际的氨氮比、煤质分析、温度控制、脱硝设计性能评价）
检修管理
脱硝系统无人机+远程VR检查
（喷氨格栅、导流板、催化剂、吹灰器）
4
脱硝系统
（全系统）
优化方案
咨询服务
催化剂更换调整经济性评估
5 结 语
反应器入口烟气条件、脱硝催化剂性能、烟气分布流场均匀性是影响脱硝系统全寿命周期成本的3 个主要因素。催化剂本身的性能很重要，但是优化其使用条件，尽量在运行中采取一定措施，如优化调整脱硝系统流场均匀性，对提高脱硝效率、降低SCR 出口氨逃逸浓度、缓解催化剂局部磨损等均有一定的效果，从而达到延长催化剂使用寿命的目标。
以1000 MW 机组为例，通过实施有效的催化剂全寿命管理，可将催化剂的化学寿命由24000 h提高至28000 h，而缺乏有效催化剂管理的机组，催化剂化学寿命则有可能缩短至20000 h。催化剂通过管理，可以很好地降低脱硝的成本。同时，增强了脱硝装置的稳定、可靠、经济运行，可产生显著的环保效益与经济效益。

参考文献
[1]陈进生等.烟气脱硝催化剂的性能检测与评价 [J]. 中国电力,2010,43(11):64-68.
[2]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002:284-322.
[3]张杨，杜振，晏敏等.烟气脱硝催化剂的性能检测与评价燃煤电厂脱硝催化剂全寿命管理模式研究 [J]. 化工管理,2019,10:122-124.
[4]罗永新.火电厂脱硝催化剂寿命管理关键问题浅析 [J]. 化工管理,2018,6:214-215.
[5]周井祝.火力发电厂脱硝催化剂寿命管理[J]. 现代商贸工业,2017，13:186-187.

-全文完-