在役SCR催化剂失活机理及运行管理优化研究

摘要

随着火电厂NOx排放标准的日益严格，特别是超洁净排放的推广和脱硝旁路的取消，SCR烟气脱硝装置对锅炉乃至整个发电机组运行的安全性和经济性影响更加直接更加明显。在此背景下，研发SCR催化剂管理和脱硝装置运行优化技术，不仅能带来巨大的经济效益，也是火电厂安全环保经济运行的内在需求。本文应我国火力发电行业发展需求，对火电厂用三元V2O5-WO3/TiO2 SCR催化剂的失活机理和运行管理优化技术进行了研究开发。
　　为此，本文在充分调研分析SCR烟气脱硝技术及V2O/TiO2基催化剂国内外研究现状基础上，立足我国火力发电行业SCR烟气脱硝技术研究现状和应用需求，通过现场性能试验、实验室催化剂活性检测与失活分析、催化剂失活机理与反应动力学研究、SCR反应器运行特性模拟、催化剂更新方案模拟与评价，全面分析了我国燃煤电厂SCR催化剂的失活机制和脱硝装置的安全经济运行问题。进而构建了适合我国火电厂的SCR催化剂运行管理方法体系，并针对局域网和Internet网用户使用需求，分别开发了具备催化剂更新周期预测与更新方案成本效益评估、催化剂选型、脱硝装置运行特性三维模拟分析等新功能的C/S结构和B/S结构的SCR催化剂及脱硝装置运行管理综合分析系统。
　　研究发现，催化剂类型对其失活机制有很大影响。对于波纹板型SCR催化剂，其NH3-DeNOx活性下降的主要原因是飞灰颗粒冲刷沾污造成的活性组分流失、比表面积下降和碱金属中毒，而蜂窝型SCR催化剂NH3-DeNOx活性下降的主要原因是碱金属富集中毒。进一步通过研究燃煤电厂烟气成分对催化剂表面氨吸附位和氧化还原位反应特性和动力学的影响规律发现，V2O5-WOs/TiO2SCR催化剂在燃煤电站锅炉上服役过程中，烟气中的碱金属杂质会优先中毒其表面与V相连的V5+-OH和/或V5+=O活性位，而不是与W和Ti相连的氨吸附位。动力学研究发现，氨吸附为一个非活化反应过程，且不受催化剂失活的影响。而活性组分V2O5的流失会造成 NH3直接氧化和SCR反应活化能的上升，碱金属中毒会造成NH3解吸附活化能的下降，而轻度的烧结会造成NH3直接氧化和SCR反应活化能下降。
　　然后，本文利用已开发的催化剂及脱硝装置运行管理综合分析系统和以上动力学研究结果，对催化剂活性下降、氨浓度和流速分布不均对SCR反应器NH3-DeNOx性能的影响规律进行了模拟分析。研究发现，对于SCR催化剂在燃煤电厂最普遍的失活情况（飞灰磨蚀+沾污堵塞+活性组分流失+碱（土）金属中毒），其活性下降后NH3-DeNOx温度窗口向高温区移动，最高脱硝效率点温度升高，应适当提高运行温度，以避免NOx脱除率急剧下降。如要通过炉内燃烧调整减少NOx生成量实现降低排放时，还需考虑到SCR脱硝装置效率随入口NOx浓度同步下降的问题。入口氨浓度场和流场不均会放大催化剂活性下降对SCR反应器NH3-DeNOx性能的影响，进一步减小SCR反应器的运行温度区间和最大安全喷氨量，并使最大氨逃逸和平均氨逃逸差值急剧上升，进一步增加氨逃逸准确监测的难度。
　　本文通过以上基础研究和SCR催化剂及脱硝装置运行管理综合分析系统开发，将实验室活性检测、失活原因分析、更新周期预测与更新方案评价、NHrDeNOx反应动力学研究、脱硝装置三维模拟与现场性能试验集成在一起，形成了一套比较完善的催化剂及脱硝装置运行管理方法技术，为提升我国火电厂SCR脱硝装置及机组的安全经济运行水平提供了有力支撑。

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