胡小夫，王云，郝正，沈建永，王樺

（中國華電科工集團有限公司，北京100070）

0 引言

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

催化劑的化學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轉化率小于1%時的壽命，研究發(fā)現SCR脫硝催化劑化學壽命約為24 000 h［8-9］。通過對SCR 脫硝催化劑的壽命進行預測，能夠準確掌握催化劑的失活程度和剩余使用壽命，使電廠及時了解催化劑的使用狀態(tài)，并及時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、經濟、穩(wěn)定運行［10-11］。

傳統(tǒng)SCR 催化劑壽命管理模型為了簡化計算過程，一般將氨氮摩爾比（ri）等于1作為假設條件進行模擬計算，但這與電廠實際運行情況不符，會對催化劑壽命預測造成誤差［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際運行情況為基礎，根據反應期間氨氮摩爾比（γi）的變化情況，提出了SCR 脫硝催化劑壽命在線評估方法；通過對江蘇某電廠#7機組SCR催化劑物化性能和部分運行數據進行分析，再根據催化劑壽命在線評估方法對此催化劑的壽命進行在線預測，指出該催化劑的失活時間，并結合2019年催化劑的檢測數據對該方法的準確性進行了驗證。

1 研究對象及評價方法

1.1 SCR脫硝催化劑

江蘇某電廠#7機組裝機容量為330 MW，該機組的SCR 脫硝系統(tǒng)包括2層由浙江某公司生產的蜂窩式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 年該電廠每年對催化劑的性能進行取樣檢測。

1.2 催化劑壽命在線評價方法

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NOx的處理能力。SCR 脫硝催化劑活性指標是指導脫硝系統(tǒng)運行優(yōu)化調整的基礎，也是催化劑壽命預測與換裝管理的依據。每層催化劑在現場實際運行環(huán)境中的脫硝效率可用式（1）表示，根據脫硝效率（ηi）建立ηi和Ki之間的函數關系［13-14］。

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

1.2.2 催化劑失活模型

反應初SCR 脫硝催化劑初始活性視為1，隨著反應時間的延長催化劑活性逐漸下降。根據催化劑整體失活特性，其失活方程一般具有指數型特征，方程為

式中：K0是初始活性，m∕h；t為催化劑的投運時間，h；Q為催化劑的失活速率，m∕h。

1.2.3 催化劑壽命在線預測方法

文獻［15］介紹了在現場運行環(huán)境下將2次最近的催化劑活性檢測試驗點相連接得到催化劑失活曲線，該失活曲線為直線。在此基礎上，我們對失活曲線進行了修正，根據SCR 催化劑活性模型ηi和Ki之間的函數關系將ηi值轉換成Ki值，再根據催化劑失活模型Ki和t 之間的函數關系，求得一定時間區(qū)間內的催化劑平均失活速率常數Q，構建出催化劑失活曲線。

2 結果與討論

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（以下簡稱“比表面積”）變化趨勢如圖1 所示。由圖1 可知，隨著催化劑服役時間的增加，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 運行1 年后（2018 年）下降至45.40 m2∕g，下降幅度約1.09%，運行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 運行1 年后（2014 年）下 降 至52.06 m2∕g，下 降 幅 度 約12.19%，運行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等原因造成的，運行2年后第1層催化劑比表面積的下降幅度要遠小于第2層催化劑的下降幅度，說明第1層催化劑的抗燒結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 催化劑運行2 年后，外觀基本良好，略有堵孔現象，內壁未受到明顯磨損，孔道結構也未嚴重破損，說明此催化劑具有較好的耐磨性能；由圖2b 可知，第2 層SCR催化劑運行6年后，外觀有裂痕破損明顯，內壁受到磨損，孔道結構也嚴重破損，可能需要及時對催化劑進行再生或更換處理。

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結果見表1。由表1可知，運行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恢復至41.51 m∕h，再運行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 層催化劑后運行2 年的活性比值（K3∕K01）比2層催化劑運行2年的活性比值（K2∕K0）減小11.31%，這說明增加1 層催化劑后雖然能提高催化劑的活性，但隨著運行時間的增加，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結果Tab.1 Denitration performance test results of SCR catalyst from 2013 to 2019

2.2 催化劑壽命在線預測結果

根據上述催化劑壽命在線評價方法，對江蘇某電廠#7 機組A 側SCR 脫硝系統(tǒng)催化劑2018 年1—9月的相關運行數據進行分析，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 為采樣時間。根據失活曲線繪制SCR催化劑的活性K隨時間變化的趨勢圖如圖3所示。

由圖3可知，隨著催化劑使用時間的延長，其催化活性逐漸降低。當催化劑脫硝效率降至85.00%，氨逃逸率為2.3 mg∕L 時，不能滿足電廠的超低排放要求，需要對催化劑進行更換或再生，此時催化劑的活性K 降至31.27 m∕h（標態(tài)），t1對應的時間約為2020 年6 月，此時間為催化劑化學壽命的極限值。

因此，通過收集SCR 脫硝系統(tǒng)的在線運行數據，可以對SCR 催化劑的壽命進行在線預測，有利于電廠了解催化劑的狀態(tài)，及時提出催化劑的置換計劃，確保SCR脫硝系統(tǒng)高效、經濟、穩(wěn)定地運行。

圖3 SCR催化劑壽命在線預測示意Fig.3 Schematic diagram of SCR catalyst life cycle on?line prediction

2.3 催化劑活性變化趨勢及在線預測驗證

2.3.1 催化劑活性變化趨勢

根據2013—2016 年催化劑的檢測數據，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，根據失活曲線b繪制2014—2016年SCR 催化劑的活性K 隨時間變化的趨勢圖；再根據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間的延長催化劑活性逐漸降低，在2017 年1 月時催化劑活性K 降低至33.96 m∕h（標態(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恢復至41.51 m∕h。2018—2021 年SCR 催化劑活性K 隨時間變化趨勢如曲線a 所示，隨著催化劑使用時間的延長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 層催化劑的運行時間過長，使得催化劑本身磨損變形嚴重（見圖2b），在服役期間導致催化劑整體活性更易降低。

2.3.2 催化劑壽命在線預測驗證

2019年8月該電廠委托第三方對催化劑性能進行檢測，檢測結果表明：當氨逃逸率為2.3 mg∕L，SCR催化劑的整體脫硝活性為87.50%，此時對應的催化劑的活性K為34.28 m∕h。

根據SCR 催化劑壽命在線預測曲線（見圖4 中曲線a），當催化劑的活性K為34.28 m∕h（標態(tài)）時，t2對應的時間約為2019 年6—7 月，與電廠2019 年第三方檢測時間（2019 年8 月）基本一致，這說明本文提出的催化劑壽命在線預測方法基本準確，該預測方法可在各電廠中推廣使用。

當催化劑脫硝效率降至85%時，催化劑的活性K 降至31.27 m∕h（標態(tài)），對應的時間為約2020 年6月，此時間可能需要對催化劑進行更換或再生處理。

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

3 結束語

研究SCR 催化劑的壽命預測方法，使電廠及時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)的經濟性和穩(wěn)定性。

本文根據SCR 脫硝系統(tǒng)反應期間氨氮摩爾比的實際變化情況，結合催化劑活性模型和催化劑失活模型，提出了SCR 催化劑壽命在線評估方法；通過對SCR 催化劑的物化性能和在線運行數據進行分析，繪制出SCR 催化劑的壽命在線預測曲線，并結合年檢數據驗證了所建的SCR 催化劑壽命在線預測系統(tǒng)具有較高的準確性，因此本文提出的SCR催化劑壽命在線預測方法可以在各電廠中廣泛推廣使用。