摘要: SCR工藝是火電廠的主流煙氣脫硝技術,催化劑是SCR脫硝工藝的核心。通過對不同型式催化劑特性及其應用的對比分析,得出了蜂窩式催化劑綜合性能較優(yōu)的結論,并對不同煙氣條件下的催化劑選擇提出了建議。

關鍵詞: SCR,催化劑特性,應用,建議

面對嚴峻的大氣環(huán)境形勢,我國曾對1991年制定的《火電廠污染物排放標準》進行了兩次修訂,并從2004年開始執(zhí)行450mg/m3 (Vdaf > 20%)的NOx 排放標準,開始征收0. 63元/kg的NOx 排污費。目前,國家環(huán)保主管部門正在醞釀對污染物排放相關法規(guī)進行修訂,并將實行更嚴格的NOx 排放標準, 以加大對大氣污染的控制力度。

1　SCR脫硝概況

目前,國內(nèi)新建電站鍋爐均采用了低NOx 燃燒技術,該技術可將煙氣中NOx 排放濃度降低30% ～ 60% ,最低可達到300 ～400mg/m3 (本煙氣量均為標準狀態(tài)值) 。但若要達到更低的排放濃度,則必須安裝煙氣脫硝裝置。

SCR法脫硝的原理是在催化劑作用下,還原劑 (由液氨或尿素等生成的氨氣)有選擇性地與NOx 反應生成無害的N2 和H2O,從而達到除去NOx 的目的。SCR法脫硝的反應原理如圖1所示。

催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)中關鍵且投資權重最重的項目,約占整個脫硝項目總投資的50% ,其組成、結構、壽命等相關參數(shù)直接影響SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的脫硝效率及其運行狀況。

2　SCR催化劑的分類及特性

2. 1　催化劑物理分類

按照加工成型與物理外觀劃分,脫硝催化劑主要分為蜂窩式、板式及波紋式(三角式) 3種。其中蜂窩式與板式是主流產(chǎn)品,波紋式(三角式)催化劑的市場占有率較低。

2. 2　催化劑的特點

(1)蜂窩式是目前市場占有份額最高的催化劑形式,它是以Ti - W - V為主要活性材料,采用TiO2等物料充分混合,經(jīng)模具擠壓成型后煅燒而成。其特點是單位體積的催化劑活性高,達到相同脫硝效率所用的催化劑體積較小,適合灰分低于30 g/m3、灰粘性較小的煙氣環(huán)境。

(2)板式催化劑的市場占有份額僅次于蜂窩式催化劑。板式催化劑以金屬板網(wǎng)為骨架, Ti - Mo - V為主要活性材料,采取雙側擠壓的方式將活性材料與金屬板結合成型,其模塊形狀與空預器的受熱面很相似,節(jié)距為6. 0～7. 0mm,比表面積較小。此種催化劑的特點是:具有較強的抗腐蝕和防堵塞特性,適合于含灰量高及灰粘性較強的煙氣環(huán)境。缺點是單位體積的催化劑活性低、相對荷載高、體積大,使用的鋼結構多。

(3)波紋式催化劑的市場占有份額較低,多用于燃氣機組。它以玻璃纖維或陶瓷纖維作為骨架, 結構非常堅硬。這種催化劑的孔徑相對較小,單位體積的催化效率與蜂窩式催化劑相近,相對荷載小一些,反應器體積普遍較小,支撐結構的荷載低,因而與其他型式催化劑的互換性較差。一般適用于含灰量較低的煙氣環(huán)境。

2. 3　催化劑性能比較

3種形式催化劑的性能對比詳見表1。

3　SCR催化劑應用中的影響因素

在理想狀況下,脫硝催化劑可以長期使用。但在SCR裝置實際運行中,各種原因可能會導致催化劑活性降低,壽命減少,如煙氣中堿金屬、砷造成的催化劑中毒;催化劑被燒結;催化劑孔堵塞;催化劑磨損;水蒸汽凝結和硫酸鹽、硫銨鹽沉積等。

催化劑堵塞和磨損是影響其機械壽命和活性的主要因素。因此,只有催化劑構造上具有防堵和抗磨損性能,才能保證催化劑具有較長的使用壽命和 SCR設備的安全、穩(wěn)定運行。

3. 1　催化劑孔徑

對一定的反應器截面,在相同節(jié)距下,板式催化劑的通流面積在85%以上,蜂窩式催化劑的流通面積一般在80%左右。在實際應用中,選用大節(jié)距的蜂窩式催化劑,其防堵效果可接近板式催化劑。美國巴威公司的經(jīng)驗表明,一般情況下,煙氣灰分在 20～25 g/m3 時,板式催化劑孔徑不宜小于5mm,蜂窩式催化劑的孔徑不宜小于6mm。當煙氣灰分在 30 g/m3 及以上時,應選用更大節(jié)距的催化劑。

3. 2　計算機模擬( CFD)和物理模型試驗

板式催化劑流通面積大,不易堵灰;蜂窩式催化劑流通面積一般,但每個催化劑壁面夾角都是90°, 不易積灰,即便積灰也較易清除。有關研究表明,磨損主要發(fā)生在催化劑迎灰面的端部,其磨損程度與 SCR反應器入口煙氣速度分布的均勻性、灰成分和顆粒大小及形狀有關�？梢愿鶕�(jù)CFD流場和物理模型試驗結果,調(diào)控第一層催化劑上游的煙氣入射角,降低催化劑的磨損。

3. 3　提高催化劑的抗磨損能力

為了提高催化劑的抗磨損能力,應使用均質催化劑結構,不能使用表面涂層的催化劑結構。目前, 在催化劑制造上有兩種思路:

(1)頂端硬化。增加蜂窩式催化劑端部的硬度,以抵御迎灰面的磨損。對于平板式催化劑,因其支撐架為金屬網(wǎng),端部被磨損后,其金屬基材暴露在迎風面,可阻止煙氣的進一步磨損,一般認為板式催化劑的抗磨損性能較好。

(2)增厚。增加整體催化劑的壁厚,提高磨損腐蝕裕量,以延長催化劑的機械壽命。此舉還有利于催化劑的清洗和再生。在工程應用中,為延長催化劑的使用壽命,除了增加催化劑的厚度外,還應盡可能地除去煙氣中磨損性較強的大顆粒飛灰,這是減緩催化劑磨損的根本途徑。

3. 4　煤中CaO對催化劑的影響

對于SCR脫硝系統(tǒng),如果燃煤中CaO過高,催化劑活性將被削弱。飛灰中的CaO與SO3 反應,在催化劑表面形成一層CaSO4 膜,從而影響NOx 與 NH3 的脫硝反應。相對于板式催化劑來講,蜂窩式催化劑受CaO的影響較小,抗CaO中毒能力更強。

3. 5　再生和清洗

對催化劑進行清洗和再生,能夠延長催化劑的整體壽命。催化劑再生的成本約為新催化劑價格的 40% ,化學壽命可達到新催化劑的80%。

由于蜂窩式催化劑是均質的,當其內(nèi)壁厚合適 (0. 8～1. 1mm) ,到達化學壽命時,仍具有一定的活性,而且物理形狀基本完整,有利于清洗和再生。

而當催化劑內(nèi)壁過薄時(如0. 5mm) ,即使催化劑單元頂部經(jīng)過煅燒硬化,其內(nèi)部孔通道仍然容易破裂、折斷。在此情況下,雖然催化劑仍具有殘留活性,但由于物理形狀不完整,不利于再生或清洗。

板式催化劑由于其催化活性層較薄,尤其在支撐架金屬暴露后,更不利于清洗和再生。

3. 6　催化劑的層高

一般來說,每層催化劑的高度選擇首先應滿足煙氣流場設計要求,方便催化劑的檢修、維護。每層催化劑的高度為催化劑模塊高度、橫梁高度、單軌高度、提升起吊掛鉤(含葫蘆等) 、催化劑模塊專用提升設備(翻轉裝置)和空間裕量之和。

對催化劑層高的設計,歐美與日本的層高設計理念不同,歐美的典型設計標準為:催化劑模塊高度最大約1 600mm, 橫梁高度7 00mm, 單軌高度約 3 00mm,提升起吊掛鉤約600mm,催化劑模塊專用提升設備約250mm,空間裕量250mm。

對于反應器內(nèi)部梁結構,歐美多采用方形梁,這種設計可有效避免煙氣擾流和飛灰堆積;而日本則采用工字鋼梁,梁高約為400mm。若采用工字鋼梁,催化劑層高可降低300mm左右。

4　結語

(1)通過對3種形式催化劑性能參數(shù)的比較以及綜合分析發(fā)現(xiàn),蜂窩式催化劑在國內(nèi)外應用較廣泛,綜合性能較優(yōu)。

(2)為提高蜂窩式催化劑的抗磨損和防堵性能,延長催化劑壽命,并為清洗、再生和循環(huán)使用提供有利條件,推薦采用“厚壁”蜂窩式催化劑。建議在低灰(煙塵低于25 g/m3 )煙氣條件下,采用節(jié)距不小于7. 5mm、壁厚不小于0. 9mm的催化劑;中灰 (煙塵質量濃度25～40 g/m3 )條件下采用節(jié)距不小于8. 3mm、壁厚不小于1mm的催化劑;在高灰(煙塵質量濃度40 ～55 g/m3 )條件下采用節(jié)距不小于 10mm、壁厚不小于1. 2mm的催化劑。

(3)為利于每層催化劑前的煙氣流場分布,減少氨的逃逸,并便于反應器內(nèi)催化劑的檢修維護,推薦在采用工字鋼梁的情況下,催化劑最小層高應按 1 700mm +模塊高度來設計,在采用方形鋼梁的情況下,催化劑層高按2 000mm +模塊高度來設計。

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