波紋式脫硝催化劑及在燃煤電廠的應用

賀亞飛，李 立，蔣宗安，姜 群

（啟源（西安）大榮環(huán)?？萍加邢薰?，西安 710018）

波紋式脫硝催化劑及在燃煤電廠的應用

賀亞飛，李 立，蔣宗安，姜 群

（啟源（西安）大榮環(huán)?？萍加邢薰?，西安 710018）

介紹了波紋式脫硝催化劑及其在燃煤電廠的應用情況，分析了波紋式脫硝催化劑在高塵、高硫、低負荷運行燃煤電廠中的適用性。

波紋式結(jié)構(gòu)；脫硝催化劑；燃煤電廠

1 前言

SCR（Selective Catalytic Reduction）即選擇性催化還原法脫硝技術(shù)，是目前燃煤電廠應用最為廣泛的脫硝技術(shù)。催化劑是SCR脫硝技術(shù)的核心，工業(yè)上應用的SCR催化劑主要是釩系催化劑，通常以銳鈦礦相TiO2為載體，以V2O5為主要活性成分，以WO3和MoO3為輔助活性成分[1]。催化劑通常采用規(guī)整塊狀結(jié)構(gòu)供應，按照結(jié)構(gòu)分為蜂窩式、板式、波紋式。其中波紋式脫硝催化劑在制造工藝及結(jié)構(gòu)上結(jié)合了兩種催化劑的長處，彌補了蜂窩式、板式催化劑的短處，具有脫硝效率高、質(zhì)量輕、耐磨、抗腐蝕、抗熱沖擊高的特點。本文結(jié)合波紋式脫硝催化劑在國內(nèi)某電廠高硫煙氣條件的應用狀況，分析了波紋式脫硝催化劑在高塵、高硫、低負荷運行的燃煤電廠中的適用性。

2 SCR及波紋板式脫硝催化劑

2.1 SCR原理

SCR 技術(shù)原理為：在催化劑作用下，向溫度為280℃～

420℃的煙氣中噴入氨，將NOx還原成N2和H2O。其主要反應如下：

4NH3+ 4NO + O2→ 4N2+ 6H2O

4NH3+ 2NO2+ O2→ 3N2+ 6H2O

在實際應用中，還原劑NH3還會發(fā)生副反應，導致催化劑活性降低以及產(chǎn)生N2O等新污染物。主要副反應如下：

4NH3+ 5O2→ 4NO + 6H2O

2NH3+ 2O2→ N2O + 3H2O

4NH3+ 3O2→ N2+ 6H2O

發(fā)生NH3分解和氧化的反應都在350℃以上才可以進行，450℃以上反應強度較激烈，在一般的SCR工藝中，反應溫度都在450℃以下，此時NH3氧化為N2是主要的副反應[2]。

2.2 SCR系統(tǒng)

工程用SCR系統(tǒng)通常包括催化反應器、氨儲存及氨噴射系統(tǒng)，核心部分為SCR催化劑。依據(jù)SCR脫硝反應器相對于電除塵的安裝位置以及催化劑的活性溫度窗口，可將SCR系統(tǒng)分為高含塵和低含塵兩類。采用高含塵工藝時，SCR反應器布置在省煤器和空氣預熱器之間。其優(yōu)點是煙氣溫度高，滿足了催化反應溫度的要求；缺點是煙氣中的飛灰含量高，對催化劑的防磨損和防堵塞的性能要求較高。對于低含塵工藝，SCR布置在除塵器、煙氣脫硫系統(tǒng)（FGD）之后煙囪之前。此時雖然煙氣中的飛灰含量大幅減少，但為了滿足催化反應溫度的要求，需要安裝蒸氣加熱器和煙氣換熱器，系統(tǒng)較復雜，初始投資較大[3]。一般選擇高含塵工藝。

2.3 波紋式脫硝催化劑

波紋式脫硝催化劑是以高強度玻璃纖維材料成型波紋形狀為基材，再浸漬專用的釩系催化劑粉末后燒結(jié)，最后經(jīng)過邊緣浸漬強化液（目的是提高催化劑在高塵煙氣中的侵蝕性能）而制成的，如圖1所示。

圖1 波紋式脫硝催化劑制備工藝流程圖

催化劑被制成箱體狀（也稱單元），一般橫剖面466mm（W）×466mm（L），高度（H）為500mm或550mm。箱體可以獨立放置在反應器內(nèi)（用于小的裝置），也可以由多達16個箱體疊放組成一個大的模塊一起進行安裝。簡化了催化劑的處理和安裝，與其他形式的催化劑互換性強，給工程帶來極大的便利。圖2為波紋式脫硝催化劑模塊、箱體和波紋示意圖。

圖2 波紋式脫硝催化劑幾何尺寸示意圖

催化劑粉末與黏結(jié)劑混合浸漬在成波紋狀的高強度玻璃纖維上。如圖2所示Pp為平板節(jié)距，Pc為波紋節(jié)距，t為壁厚，L1為波長。玻璃纖維節(jié)距、壁厚和波長可根據(jù)煙氣飛灰的特性靈活選擇。另外這種特殊的結(jié)構(gòu)，決定了催化劑具有較高的幾何比表面積（例如：適用于燃煤煙氣DRC15，Pp：9mm，Pc：16mm，t：0.9，幾何表面積高達520m2/m3）。

波紋式脫硝催化劑的主要特點：

（1）密度小

一般情況下，波紋式脫硝催化劑的體積密度不超過320kg/m3，與蜂窩式脫硝催化劑相比，體積密度要小40%～50%。表1中的DRC15與18×18孔蜂窩式脫硝催化劑體積密度相比要輕約40%。由于重量較輕，運輸和吊裝也更便利，并且對SCR反應器鋼結(jié)構(gòu)和地基的荷載要求也更小。

表1 DRC15與18×18孔蜂窩式脫硝催化劑對比

（2）SO2/SO3轉(zhuǎn)換率低

脫硝催化劑的活性組分主要是V2O5，其不僅對脫硝反應有活性，同時對SO2氧化也有很高的活性。在V2O5作用下，煙氣中的SO2被部分氧化為SO3，生產(chǎn)的SO3與煙氣中逃逸的NH3作用產(chǎn)生NH4HSO4。NH4HSO4具有黏性和腐蝕性，易對催化劑和空氣預熱器等下游設(shè)備造成堵塞和腐蝕，因此，SO2/SO3轉(zhuǎn)換率也是衡量催化劑性能的一個重要指標。影響SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的因素主要有V2O5的量和催化劑的壁厚。V2O5的量由所需的脫硝效率和需要控制的SO2氧化率共同決定。一般催化劑，為了保證不大于1%的SO2氧化率，V2O5質(zhì)量分數(shù)控制在0.8%～1.2%，這樣既可以保證催化劑的DeNOx活性，又可以將SO2的氧化率控制在合理范圍之內(nèi)[4]。另外，由反應動力學可知，NOx脫除反應是一個快反應，受外擴散控制，脫硝活性主要取決于催化劑的外表面；SO2氧化反應是慢反應，屬化學動力學控制，主要發(fā)生在催化劑壁內(nèi)，催化劑的壁越厚，越有利于SO2氧化反應的發(fā)生[5]。波紋式脫硝催化劑采用波紋狀的、多孔的加強纖維態(tài)結(jié)構(gòu)，在保證足夠的活性成分負載的情況下，能把SO2/SO3的氧化降低到最小。

（3）脫硝效率高

因波紋式脫硝催化劑的主體結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維，在保證SO2/SO3轉(zhuǎn)換率的情況下，經(jīng)過特殊生產(chǎn)加工，毛細孔的分布得到良好控制，使得催化劑的密度低和孔積率高，比表面積大。適用燃煤電廠的DRC15產(chǎn)品與國內(nèi)某催化劑廠生產(chǎn)的節(jié)距相近的18×18孔蜂窩式產(chǎn)品對比，幾何比表面積具有明顯的優(yōu)勢（見表1）。另外可以加大催化劑粉末的活性成分V2O5的含量。這樣，在一定的SO2/SO3轉(zhuǎn)換率下，DeNOx活性可以得到較大的提高。針對國內(nèi)某電廠高硫高塵煙氣環(huán)境下設(shè)計的脫硝催化劑，在實驗室的空速為4289h-1，單層的脫硝效率達到71%。

（4）耐磨性強

波紋式脫硝催化劑使用強化纖維的載體，邊緣使用專用浸漬液強化，使其具有很強的抗熱沖擊性和抗灰塵顆粒磨碎性，在實驗室和工程實際應用中表現(xiàn)不俗。

在實驗室，采用燃煤煙氣使用的DRC15催化劑標準試樣（規(guī)格為150mm×150mm×550mm）進行磨損強度實驗，具體實驗條件見表2，測試數(shù)據(jù)見表3。

表2 實驗條件

表3 實驗結(jié)果

3 波紋式脫硝催化劑在燃煤電廠的應用案例

以某電廠2×350MW超臨界機組SCR脫硝催化劑更換項目為例，該項目的脫硝系統(tǒng)以液氨為還原劑，SCR反應器布置在省煤器和空氣預熱器之間，為單爐雙反應器。煙氣總量為129.8萬Nm3/h（干基，標態(tài)，6%O2），入口灰塵濃度為32.73g/Nm3，入口氮氧化物濃度為670mg/Nm3（濕基，6%O2），SO2濃度為7100mg/Nm3（濕基，6%O2）。該項目原設(shè)計為2+1層，上兩層布置催化劑，最下一層為預留層。本次波紋式脫硝催化劑更換A、B反應器上兩層板式催化劑。該項目要求在50%的負荷下，催化劑連續(xù)運行溫度為295℃，兩層催化劑性能保證值為：脫硝效率大于87%；氨逃逸小于3ppm；SO2/SO3的轉(zhuǎn)換率小于1%；系統(tǒng)阻力不大于600Pa；催化劑的化學壽命大于24,000小時，機械壽命大于10年。

根據(jù)該項目的高硫和低溫（295℃）運行時間長的特點，公司設(shè)計了DRC15產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，節(jié)距為16mm×9mm，并采用波紋式脫硝催化劑特制邊緣硬化劑進行硬化，防止煙塵的侵蝕。

通過168h測試，實際煙氣空速Av=3024h-1。在100%負荷下，SCR脫硝裝置A、B側(cè)入口煙氣中SO3平均濃度為81.2mg/m3（干基，標態(tài)，6%O2），出口煙氣中SO3的平均濃度為120.5mg/m3（干基，標態(tài)，6%O2），SO2/SO3轉(zhuǎn)化率平均值為0.71%。表4為該項目168h運行脫硝效率的測試結(jié)果。

表4 168運行脫硝效率測試結(jié)果

168運行結(jié)果顯示，SO2/SO3轉(zhuǎn)換率的平均值為0.71%，兩層的脫硝效率大于90%，各項指標達到了要求，運行狀態(tài)良好。

經(jīng)過一年多的運行，出口氮氧化物保持在70mg/Nm3以下，催化劑未出現(xiàn)嚴重磨損，系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定。

4 結(jié)語

結(jié)合某公司生產(chǎn)的波紋式脫硝催化劑，介紹了波紋式脫硝催化劑的生產(chǎn)工藝、基本結(jié)構(gòu)和主要特點，并結(jié)合在國內(nèi)某高塵、高硫、低負荷運行燃煤電廠的應用，給出波紋式脫硝催化劑的如下信息，供從事SCR脫硝工程相關(guān)人員參考：1）由于波紋式脫硝催化劑的本身的結(jié)構(gòu)使其密度比蜂窩式輕40%～50%，給運輸和吊裝帶來了更大的便利，并且對SCR反應器鋼結(jié)構(gòu)和地基的荷載要求更小。2）波紋式脫硝催化劑在煙塵濃度為32.73g/Nm3的高硫低負荷燃煤電廠煙氣條件下，安裝兩層催化劑時，在保證90%的脫硝效率情況下，SO2/SO3的平均轉(zhuǎn)換率為0.71%，具有很強的適應能力。

[1] Miros lav Radojevic.R edu ct ion of n itrogen ox ides in flue gas[J].Environm ental Pollu tion，1998,102(S1):685-689.

[2] 楊飏.氮氧化物減排技術(shù)與煙氣脫硝工程[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[3] 陳杭君，趙華，丁經(jīng)緯.火電廠煙氣脫硝技術(shù)介紹[J].熱力發(fā)電，2005（2）：15-18．

[4] 李鋒，於承志，張朋，等.低SO2氧化率脫硝催化劑的開發(fā)[J].電力科技與環(huán)保，2010，26（4）：18-21.

[5] 李小海，王虎，於承志.平板式脫硝催化劑的基本性能[J].化工進展（增刊），2012（31）：147-151.

Application of Corrugated Type Denitration Catalysts in Coal-fred Power Plant

HE Ya-fei, LI Li, JIANG Zong-an, JIANG Qun

X701

A

1006-5377（2017）02-0058-03