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火电厂SCR催化剂质量与寿命管理体系研究与应用
时间:2018-07-03 09:05:06

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本项目“火电厂SCR催化剂质量与寿命管理体系研究与应用”针对国内大规模脱硝改造机组对催化剂质量管控的需求,一方面在国内外首创了脱硝催化剂综合质量等级“五色评价体系”实现催化剂检测评价的标准化、程序化和规范化,有效实现了催化剂质量的可控、在控,保障了SCR脱硝装置乃至整个机组的可靠性,另一方面协同SCR装置的性能验收和催化剂的定期抽检实现催化剂的寿命评估管理,有效延长了催化剂的实际使用寿命,在此基础上构建了脱硝催化剂过程化质量管控和寿命管理模式,建立了华电集团脱硝催化剂档案并构建催化剂性能检测参数原始数据库,切实保障火电厂SCR脱硝工程质量,降低脱硝装置运行成本。

一、前言

本项目“火电厂SCR催化剂质量与寿命管理体系研究与应用”针对国内大规模脱硝改造机组对催化剂质量管控的需求,一方面在国内外首创了脱硝催化剂综合质量等级“五色评价体系”实现催化剂检测评价的标准化、程序化和规范化,有效实现了催化剂质量的可控、在控,保障了SCR脱硝装置乃至整个机组的可靠性,另一方面协同SCR装置的性能验收和催化剂的定期抽检实现催化剂的寿命评估管理,有效延长了催化剂的实际使用寿命,在此基础上构建了脱硝催化剂过程化质量管控和寿命管理模式,建立了华电集团脱硝催化剂档案并构建催化剂性能检测参数原始数据库,切实保障火电厂SCR脱硝工程质量,降低脱硝装置运行成本。

本项目实施以来,产生多项知识产权,并且已成功地对300余台次脱硝机组SCR催化剂进行了质量管控和寿命管理,有效地保障了火电厂SCR脱硝工程的质量。

二、项目实施背景

(一)项目实施的市场背景

“十二五”中前期,由于脱硝改造工程的快速推进与脱硝催化剂供应能力的不足,脱硝催化剂市场出现供不应求的局面,导致脱硝催化剂质量难以有效控制。

“十二五”后期,随着脱硝改造工程建设速度的放缓,以及催化剂生产厂家和产能的急剧增长,使得催化剂市场的产能过剩加剧了恶性竞争局面,进而导致了偷工减料、降低标准等质量问题。

随着大规模脱硝改造的结束,催化剂的产能将达到市场需求的2倍。后续脱硝催化剂再生技术的进一步推广应用将导致催化剂供大于求的问题进一步突显,急需对催化剂质量进行严格把控。

(二)项目实施的现状背景

由于SCR市场多样化,催化剂质量参差不齐,新鲜催化剂存在着多种质量问题(如图1所示),因此通过催化剂的质量与寿命管理可有效控制催化剂的质量,进一步能够延长催化剂的寿命,降低脱硝工程运行成本。

图1 部分新鲜催化剂质量问题

(三)项目实施的技术背景

在国外,提供催化剂检测等相关服务的包括催化剂生产厂商和催化剂再生企业,不仅设有催化剂活性检测实验室,还制定了相应的检测标准。但是该项工作做得最为完整、出色和富有成效的还属电力企业,如德国意昂公司(E.ON),建立了一整套先进的SCR催化剂管理模式,主要包括:SCR装置性能检测及运行优化技术、SCR催化剂性能检测及寿命评估管理技术、SCR催化剂补充/更换/再生策略等。

在国内,由于SCR技术引入时间较晚,SCR装置投运时间较短,相关检测技术与国外还存在差距。国内较早开展脱硝催化剂检测的机构为:西安热工研究院苏州分公司、浙江大学和中国科学院城市环境研究所等,另外,重庆远达、国电龙源、东方凯特瑞等主流催化剂生产厂,也均设有催化剂活性检测实验室。然而,我国动力用煤品质差别大,煤种供应不稳定,且脱硝效率、机组点火方式、运行方式及运行参数等均存在较大差异,SCR催化剂的运行条件更为恶劣,故生搬硬套国外技术绝非上佳之选,必须走符合我国国情的SCR催化剂质量管控和寿命管理之路。

三、项目内涵及做法

(一)在国内外首创脱硝催化剂综合质量等级“五色评价体系”,实现催化剂评价的标准化、程序化和规范化。

SCR催化剂的检测评价是催化剂质量管控的核心环节,更是保障催化剂采购质量的关键。国内针对SCR脱硝技术的研究起步晚,尤其是SCR催化剂检测评价的标准规范长期处于空白,相关生产厂商和使用单位只能长期借鉴德国VGB标准和美国EPRI标准。华电集团在充分研究国内外SCR催化剂检测技术的基础上于2013年4月制定并发布了《中国华电集团公司火电机组SCR催化剂强检要求》(以下简称《强检要求》),详细规定了SCR催化剂性能检测的内容、方法、程序和标准等,填补了国内SCR催化剂检测规范的空白,在集团内外得到了广泛的实践应用,并于2015年7月进行了修订。国内于2013年11月才发布了第一部SCR催化剂性能检测的行业标准《火电厂烟气脱硝催化剂检测技术规范(DL/T 1286-2013)》。在性能检测内容上,《强检要求》主要参照了VGB标准设置了涵盖蜂窝式催化剂和平板式催化剂的外观特性、几何特性、理化特性和工艺特性等四个性能检测部分(如图2所示),波纹板式催化剂主要参照执行平板式催化剂的检测规范。同时,《强检要求》强调实际化学催化反应下的SCR催化剂性能特征,也即氨氮摩尔比以SCR脱硝工程的设计参数作为依据,而VGB标准强调理论化学催化反应下的SCR催化剂性能特征,也即氨氮摩尔比为1的情况。在此基础上,本项目严格按照中国计量认证(CMA认证)标准研发搭建了拥有自主知识产权的SCR脱硝催化剂性能检测平台,涵盖机械性能、微观特性、化学成分和工艺特性四部分,实现脱硝催化剂的科学化性能检测。

图2 SCR催化剂综合质量等级评价原理图

为了将SCR催化剂的分项性能检测指标与综合质量等级直观评价相结合,华电集团立足《强检要求》的应用实践情况研究SCR催化剂的综合质量等级评价技术,于2013年8月发布了《中国华电集团公司火电机组SCR催化剂综合质量等级标准》,并于2015年7月进行了修订,从而在国内外首创了SCR催化剂综合质量等级“五色评价体系”。SCR催化剂综合质量评价的前提是外观特性和几何特性的检测,两者可以直接影响SCR催化剂的理化特性和工艺特性,进而影响催化剂的脱硝效果和使用寿命。SCR催化剂综合质量评价的重点是理化特性和工艺特性,主要是通过对SCR催化剂性能检测指标进行分项筛选,同时对蜂窝式和平板式催化剂的性能检测指标分别赋予不同的评价权重。此外增设特殊情况评价方法,如主要化学成分、脱硝效率、SO2/SO3转换率以及机械强度的严重不达标现象等等。通过不同权重的评价结果最终将SCR催化剂的综合质量等级划分为“绿色、黄色、橙色、紫色和红色”五个等级(如图3所示),从而实现脱硝催化剂评价的标准化、程序化和规范化。催化剂综合质量等级“五色评价体系”这一理念是国内首次提出,在国际上前期也未曾见诸报端,通过催化剂性能检测可以实现催化剂质量等级的评价划分,以指导催化剂的安装与运行。

(二)协同SCR装置的性能验收和催化剂的定期抽检实现催化剂的寿命评估管理,有效延长催化剂的实际使用寿命。

基于实验室检测评价的SCR催化剂质量管控是保障催化剂采购质量的关键,更是保障SCR脱硝工程质量的基础,而进一步保障SCR脱硝装置的运行性能水平就必须紧密围绕项目现场开展SCR催化剂的性能检测与寿命管理工作。

SCR催化剂投运后的SCR脱硝装置性能验收主要是针对SCR脱硝系统展开,重点检测脱硝效率、氨逃逸率、SO2/SO3转化率以及系统阻力等工艺特性指标。性能验收一般在SCR脱硝改造工程正常运行6个月内进行,既是催化剂自身性能的真实体现,更能及时反馈SCR脱硝工程的运行情况。SCR脱硝工程的性能验收是催化剂在等比例真实脱硝系统内真实烟气环境中的实际性能检测,而催化剂的实验室检测评价是催化剂在小比例脱硝反应器内模拟烟气环境中的模拟实际性能检测,通过两者检测结果的互为对比反馈可以真实反映SCR脱硝装置的实际运行状况和SCR催化剂的真实性能,有助于及时发现SCR催化剂的运行异常并采取相应的改进措施,更能进一步促进实验室SCR催化剂检测评价技术的发展。在华电集团开展的相关工作中,SCR催化剂投运后产生的SCR脱硝装置的运行隐患问题有超过50%在该环节得到了体现。

图3 SCR脱硝催化剂质量等级评价标准

SCR催化剂在投运后受到运行时间和运行条件影响其性能水平逐渐下降,其中催化剂的活性是其使用寿命的重要考量指标,而催化剂的活性是催化剂使用环境及其自身特性的综合表征,因此催化剂的活性必须通过实际条件下的性能检测来体现。基于此,需及时对运行中的催化剂开展定期的抽样性能检测和寿命评估,通过分析对比新鲜催化剂与运行中催化剂的性能特征差异,及时掌握催化剂的运行效果,同时及时评估催化剂的实际性能水平,以指导SCR脱硝工程优化调整,进一步延长催化剂的实际使用寿命,降低SCR脱硝装置的运行成本。

(三)依托催化剂“强检要求”构建SCR催化剂过程化质量管控和寿命管理模式,进一步延长催化剂的实际使用寿命。

本项目依托《强检要求》构建了脱硝催化剂过程化质量管控和寿命管理模式,该模式紧密围绕催化剂的“性能检测、质量评价、寿命评估”展开,涵盖了催化剂生产、检测评价、运输、投运检测、性能跟踪等各个环节,如图4所示。检测是催化剂管理的重要节点,而评价、评估则是催化剂质量评判的重要依据。在催化剂从生产到运行的过程中实现监造到监测的流程化质量管控,切实将催化剂生产过程中的驻场监造、催化剂生产后的及时性能检测、催化剂到厂后的实时验收以及催化剂运行过程中的定期寿命和性能评估等一系列管理模式运用到脱硝技改工程中,实时掌握催化剂的性能水平、发现催化剂运行异常、配套制定针对性措施,切实延长催化剂寿命,减少脱硝装置运行成本。

图4 SCR脱硝催化剂过程化质量管理模式

(四)本项目成果在华电集团得到全面推广应用,建立了华电集团脱硝催化剂性能检测参数的原始数据库,从而为开发国内具有自主知识产权的、适应国内SCR脱硝装置的催化剂性能检测评价技术和设备提供支撑,更为下一步构建适合我国现状的SCR催化剂性能优化/补充/更换/再生的全寿命管理体系提供科学数据和关键的技术支持。

自华电集团开展SCR催化剂质量管理工作至2015年,通过实施本项目,已成功地对300余台次脱硝机组SCR催化剂进行了质量管控和寿命评估管理工作,如表1所示,使得进入华电集团的SCR催化剂整体质量得到明显提升。

表1 总体等级统计分布

四、项目主要创新点

本项目针对国内大规模SCR脱硝工程对优质催化剂的需求和SCR催化剂质量参差不齐之间的矛盾,构建了适应国内火电厂SCR催化剂的质量与寿命管理体系。项目主要创新点如下所示:

(一)国内外首创了SCR脱硝催化剂综合质量等级“五色评价体系”实现催化剂检测评价的标准化、程序化和规范化,有效地实现了催化剂质量的可控、在控,保障了SCR脱硝装置乃至整个机组的可靠性。

(二)协同SCR装置的性能验收和催化剂的定期抽检实现催化剂的寿命评估管理,有效地延长了催化剂的实际使用寿命。

(三)构建了SCR催化剂过程化质量管控和寿命管理模式,建立了华电集团脱硝催化剂档案并构建催化剂性能检测参数原始数据库,切实保障火电厂SCR脱硝工程质量,降低脱硝装置运行成本。

五、项目实施效果

(一)近期效果

通过本项目的应用,在近年来脱硝催化剂市场较为混乱的形势下为保障华电集团火电厂脱硝工程质量做出了突出贡献。2013年至今,通过本项目的实施,有效地保证了进入华电集团的催化剂的质量,为部分项目单位(如龙口电厂、潍坊电厂、大龙电厂等)挽回了近2000万元直接经济损失,更为华电集团避免了近2亿元的间接经济损失,受到了各发电企业的高度好评,亦取得了行业内的肯定与赞赏。

其中,龙口电厂(原百年电力)6号机组通过催化剂检测签订了催化剂质量保证协议,根据协议免费更换了催化剂,减少损失近600万元;大龙电厂2号机组通过催化剂检测签订了催化剂质量保证协议,根据协议免费更换了部分催化剂,减少损失近500万元。

(二)远期效果

本项目的实施将新鲜脱硝催化剂的质量管控和运行中催化剂的寿命评估管理相结合,即以催化剂性能的科学化检测为基础,以催化剂的标准化、程序化和规范化的质量等级评价标准为指导,以控制催化剂的质量和延长催化剂的实际使用寿命为目标,及时评估诊断催化剂性能,优化调整催化剂的运行工况,延长催化剂的使用寿命。该体系已建立起华电集团脱硝催化剂性能检测参数的原始数据库,为开发国内具有自主知识产权并能适应国内SCR脱硝装置的催化剂性能检测评价技术和设备提供支撑,更为下一步构建适合我国现状的SCR催化剂全寿命管理体系提供科学数据和关键的技术支持。因此本体系的开发与实施具有极大的社会效益和经济效益。

(三)社会效益

本体系实施后,能够保障催化剂的质量,保障脱硝装置安全稳定运行,进而可以有效地控制火电机组NOx排放量,将有助于改善大气环境,具有良好的宏观社会效益;此外通过提高催化剂质量可以延长催化剂的实际使用寿命,从而减少催化剂的更换量和废弃催化剂的量,固体废弃物的减少也具有良好的社会效益。另一方面,本项目所提出的脱硝催化剂综合质量等级“五色评价体系”为国内外首创,推广应用后在行业内引起了巨大关注与反响,大唐电科院、国电电科院等兄弟单位及多家主流催化剂厂家多次专程来华电电科院就催化剂检测评价工作开展经验交流和学习,积极推动了行业的发展。

(四)经济效益

由于SCR催化剂成本约占整个脱硝系统工程投资的30%,而在运行费用中,除还原剂消耗外,催化剂更换占据了绝大部分费用,因此本项目的实施,可帮助华电集团投运SCR装置的各电厂保障催化剂质量,具有显著经济效益。

近期经济效益为:自本项目实施以来,已完成300余台次催化剂质量管控和寿命管理工作。对于项目单位而言,前期检测评价等级为紫色的机组在运行一段时间后均出现了催化剂质量事故,而相关电厂根据评价处理意见已与催化剂厂家签订了质量保证协议,从而避免了因催化剂质量不合格带来的经济损失。以单台600MW机组初装600m3催化剂、催化剂单价为15000元/ m3计,可为项目单位减少600×15000=900万元经济损失。

远期经济效益为:本项目形成的催化剂性能检测平台与原始数据库,为下一步开展脱硝催化剂寿命全过程闭环管理打下坚实基础。以华电集团在役200套SCR脱硝装置、每台机组催化剂量为300m3进行估算,通过该体系的实施,催化剂实际使用寿命由24000h延长至28000h,则每年可节省催化剂更换量约为1600 m3,按催化剂单价为15000元/ m3计,则远期来看每年可为华电集团减少2400万元脱硝运行费用。

六、小结

通过本项目的实施,可以控制催化剂的质量,从而保障脱硝工程的质量,进一步对运行中催化剂的性能进行检测可以实时掌握脱硝催化剂的性能水平、评估诊断催化剂性能、及时发现催化剂的运行异常、配套制定针对性措施。将催化剂检测与现场性能试验相结合,预测并指导现场性能试验,评估脱硝装置的性能,通过现场性能试验验证催化剂试验结果,以氨逃逸浓度为指标预测性能超标时间(即催化剂调整时间),为催化剂寿命评估提供科学依据,从而有计划地进行脱硝装置检修维护与催化剂补充/更换/再生,最大化发挥催化剂潜力,延长催化剂使用寿命。


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