托普索SCR脫硝技術(shù)及其催化劑在中國燃煤電廠的應(yīng)用
摘要：針對中國的燃煤電廠通常燃煤含灰量大的特點(diǎn)，合理地設(shè)計(jì)SCR反應(yīng)器和選擇適合的催化劑至關(guān)重要。高飛灰濃度存在著導(dǎo)致催化劑被堵塞和磨損的風(fēng)險(xiǎn)，為避免這一風(fēng)險(xiǎn)，需要認(rèn)真選擇催化劑并做好關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)（如：反應(yīng)器、煙氣整流器和煙道內(nèi)部構(gòu)件），以確保煙氣和飛灰的均勻分布。設(shè)計(jì)還必須基于全面和正確的流場模擬，如：CFD（計(jì)算流體力學(xué)）和實(shí)體模型。
在選擇合適的催化劑型號時(shí)，必須對各種設(shè)計(jì)性能參數(shù)的影響作出評定，尤其是針對中國燃煤特性，在催化劑選擇上更要考慮催化劑活性位潛在的積灰，以及繼而發(fā)生飛灰中高CaO含量所引起的失活。
本文概括地介紹了托普索公司脫硝技術(shù)及其催化劑結(jié)構(gòu)和性能的特點(diǎn)，并對廣東臺山電廠60萬千瓦機(jī)組和山西陽城電廠60萬千瓦機(jī)組等電廠的SCR脫硝工程進(jìn)行了簡單介紹。
關(guān)鍵詞：SCR托普索脫硝催化劑 多孔結(jié)構(gòu) 流場模擬 星形混合器
1.概述
歷經(jīng)數(shù)年發(fā)展，對燃煤鍋爐煙氣脫硝效率的要求已從80%左右提高到現(xiàn)在許多項(xiàng)目所要求的90%，甚至更高。為了確保設(shè)計(jì)一套可靠的脫硝系統(tǒng)，使其始終保持理想的脫硝效率并同時(shí)保證氨逃逸最小化，在對系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行條件，要求把工藝技術(shù)、催化劑技術(shù)和工程設(shè)計(jì)幾個方面緊密結(jié)合起來。
2.脫硝技術(shù)簡介
SCR脫硝工藝的反應(yīng)原理是氨與NOx在催化劑表面上進(jìn)行催化氧化還原反應(yīng)，生成無害的氮?dú)夂退，反?yīng)過程不會造成二次污染物。
若不安裝催化劑，上述反應(yīng)要在均勻混合的氣相中900-1100℃溫度條件下才能發(fā)生。而在SCR脫硝工藝中，催化劑存在條件下化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的典型溫度為250-450℃。若使用特殊催化劑，工藝反應(yīng)溫度還可以降至約200℃，也可以高至約550℃。
為取得系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的脫硝效率和NH3逃逸量限值，在設(shè)計(jì)中考慮充分地利用催化劑、盡可能使氨在煙氣中均勻分布是非常重要的。反應(yīng)器入口的煙氣分布系統(tǒng)要確保煙氣在反應(yīng)器截面上的均勻分布，以確保有效利用催化劑。
催化劑選型必須考慮煙氣特點(diǎn)和運(yùn)行參數(shù)范圍，但是確保催化劑實(shí)現(xiàn)最佳催化效果的先決條件是正確設(shè)計(jì)關(guān)鍵設(shè)備，如：SCR反應(yīng)器、煙道內(nèi)部構(gòu)件和噴氨系統(tǒng)，確保催化劑層均勻的煙氣流動條件以及氨和煙氣的均質(zhì)混合是至關(guān)重要。通過CFD和實(shí)體模型對SCR脫硝裝置進(jìn)行流場模擬是達(dá)到這一目的必不可少的手段。
3.托普索公司的脫硝催化劑
SCR脫硝工藝的核心是催化劑，噴入的氨與煙氣中的NOx在催化劑表面上反應(yīng)生成氮?dú)夂退羝。通常采用的催化劑全是以多孔二氧化鈦(zhàn)鳛檩d體，起催化作用的活性成份五氧化二釩和三氧化鎢分布在其表面。我公司脫硝催化劑具有不同的型號、不同的通道尺寸（通常叫節(jié)距）、壁厚和化學(xué)成份，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行選型。節(jié)距和壁厚受煙氣中灰量的影響，燃煤鍋爐脫硝系統(tǒng)一般采用大通道、最小壁厚0.8mm的催化劑。
3.1催化劑中毒和設(shè)計(jì)中需要考慮的因素
在燃煤鍋爐高含灰煙氣SCR系統(tǒng)中，催化劑隨著活性的損失漸漸老化，主要是因?yàn)榻佑|煙氣中的飛灰。催化劑性能退化速率的估計(jì)、使用壽命的確定和催化劑的裝填設(shè)計(jì)必須考慮它的運(yùn)行環(huán)境，如：毒物特性、灰塵濃度和潛在的磨損等，歸結(jié)如下：
飛灰成份對催化劑活性位的化學(xué)和物理影響，通常指催化劑中毒；
非常細(xì)的飛灰顆粒在催化劑表面沉積，會堵塞進(jìn)入催化劑活性位的通道或減少其活性表面積；
催化劑孔中的硫酸氫氨冷凝液的抑制，會減小活性表面積；
催化劑孔的熱降解（燒結(jié)）會減小催化劑活性表面積；
催化劑通道的堵塞減少了所裝載催化劑的有效體積；
若SCR反應(yīng)器中煙氣流動不均勻，飛灰中的顆粒會造成催化劑磨損。
如果脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，任何類型的催化劑，如：板式、擠壓蜂窩式或波紋蜂窩式，都可能被磨損。
SCR脫硝系統(tǒng)催化劑選型設(shè)計(jì)需要考慮以下因素：
要求的脫硝效率；
反應(yīng)器出口煙氣中未反應(yīng)氨氣（氨逃逸）的最大容許量；
為避免后續(xù)設(shè)備不受硫酸氨影響，系統(tǒng)可接受的最大SO2/SO3氧化率；
催化劑理想壽命和基于煙氣中灰量和其它成分得出的催化劑預(yù)期失活速率。
很顯然，只有全面了解這些因素對催化劑性能的影響，才能選出最適合的催化劑型號。合理設(shè)計(jì)催化劑工藝，才能保證催化劑的最佳性能和最長的壽命。
3.2托普索公司催化劑特點(diǎn)
托普索公司創(chuàng)立于1940年，擁有其自行開發(fā)的各種催化劑和工藝技術(shù)。公司在不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，還潛心致力于大量的研發(fā)工作，為各種運(yùn)行工況條件提供最適合的催化劑。托普索公司擁有各種類型的催化劑制造技術(shù)，但在電廠煙氣脫硝系統(tǒng)中主要采用其脫硝專用波紋蜂窩催化劑，該催化劑集合了板式和擠壓蜂窩式催化劑的優(yōu)點(diǎn)，對防止各種原因?qū)е碌拇呋瘎┲卸揪哂泻芎玫牡挚鼓芰ΑＦ鋬?yōu)點(diǎn)概括如下：
1）由于托普索公司催化劑獨(dú)特的制造工藝，催化劑基板采用加固玻璃纖維，比金屬板式催化劑或擠壓蜂窩式催化劑重量要輕許多。由于重量輕，其運(yùn)輸、吊裝都很方便，且對于SCR反應(yīng)器鋼結(jié)構(gòu)和地基的荷載比較；
2）由于托普索脫硝催化劑的孔型為不規(guī)則形狀，采用獨(dú)特的波紋狀，所以其比表面積很大，且孔隙大小分布呈現(xiàn)多樣性。大、中、小孔隙按一定比例分布。試驗(yàn)研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均證明了該催化劑結(jié)構(gòu)對增加表面活性位，減少表面SO2氧化活性位是非常有利的。
3）根據(jù)顯微鏡觀察顯示，托普索催化劑具有三種大小不等的孔隙結(jié)構(gòu)，分別為100A、1000-2000A和50000A。對于各種類型的催化劑，通常觀察到的砷氣多聚集在微孔內(nèi)。所以與其它類型催化劑相比，托普索公司獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)能大大減少砷氣聚集，從而減緩對催化劑的毒化；
4）由于具有柔韌的纖維結(jié)構(gòu)，這種催化劑可以在高溫下運(yùn)行，具有非常好的抗熱應(yīng)力的能力。催化劑的邊緣經(jīng)過加固，可以抵御含塵煙氣的磨蝕。催化劑運(yùn)行溫度在220-450℃范圍內(nèi)，可抵御800-900℃的高溫環(huán)境。催化劑可承受的最大溫升可達(dá)150℃/min，這是其它類型催化劑所無法相比的。
4.流場模擬
SCR反應(yīng)器、煙氣通道、噴氨和混合系統(tǒng)的正確合理設(shè)計(jì)，是催化劑實(shí)現(xiàn)最佳性能的必要前提。在高塵脫硝裝置中，必須采取措施確保催化劑層的理想煙氣條件，以避免上述的催化劑堵塞或磨損所造成的損失。
運(yùn)用CFD或?qū)嶓w模型進(jìn)行煙氣流場模擬已被證實(shí)是達(dá)到上述設(shè)計(jì)的有效且必要的工具。模型工作通常的目的是：
確保噴氨之前煙氣流速高度均勻
驗(yàn)證煙氣與氨的混合效果
在給定的約束條件下優(yōu)化煙道和反應(yīng)器的布置
開發(fā)并優(yōu)化必要的流量控制裝置
確保第一層催化劑入口處煙氣速度高度均勻
確保煙氣流動與垂直流動方向夾角的偏差最小
確保不增加沉積灰量
使系統(tǒng)壓降最低
盡管使用功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬更快捷有效，但對飛灰的運(yùn)動（如：沉積和二次夾帶）進(jìn)行模擬的理論基礎(chǔ)仍很薄弱，而且導(dǎo)流板的優(yōu)化經(jīng)常需要反復(fù)。所以對于高塵脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要實(shí)現(xiàn)預(yù)防灰沉降和磨損這些主要目標(biāo)，通常采用行之有效的實(shí)體模型方法。
5.托普索公司工業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)
托普索DNX催化劑已在世界上不同煤種的項(xiàng)目中應(yīng)用過，擁有381個項(xiàng)目業(yè)績。所有項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)行情況均證明催化劑中砷的聚積量對托普索催化劑的性能影響并不明顯。實(shí)驗(yàn)室研究表明，吸附氣相中超過1%（重量）的砷，催化劑活性只降低10%。對一些使用DNX催化劑的高塵SCR裝置中的砷聚積和失活速率進(jìn)行了監(jiān)測，證實(shí)了DNX催化劑具有抵抗砷中毒這一特性。
5.1陽城電廠二期工程煙氣脫硝項(xiàng)目
山西陽城電廠二期工程8號600MW機(jī)組燃用的無煙煤來自山西陽城當(dāng)?shù)孛旱V。按進(jìn)度要求，SCR脫硝裝置在2007年初啟動運(yùn)行。托普索公司為該項(xiàng)目提供催化劑和脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及為驗(yàn)證設(shè)計(jì)所需進(jìn)行的實(shí)體模型。基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：
600MW
煙氣流量2,300,000Nm3/h
兩層DNX催化劑
1300mg/Nm3NOx
含灰量<20g/Nm3
80%脫硝效率
氨逃逸<3ppm
SO2氧化率<1.0%
有SCR旁通
5.2國華臺山熱電廠
臺山電廠目前有5×600MW燃煤機(jī)組，托普索公司為其5號機(jī)組設(shè)計(jì)了SCR脫硝系統(tǒng)，預(yù)期在2006年啟動運(yùn)行。托普索公司為其脫硝系統(tǒng)提供催化劑、系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括實(shí)體模型試驗(yàn)；驹O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：
600MW
煙氣流量1,900,000Nm3/h
兩層DNX催化劑
550mg/Nm3NOx
灰量14g/Nm3
高達(dá)94%的脫硝率
氨逃逸<3ppm
SO2氧化率<0.75%
該項(xiàng)目在選用催化劑時(shí)特別考慮了灰中高鈣成分(28.9%CaO)的影響，美國PRB煤項(xiàng)目中遇到過類似的高含鈣量的設(shè)計(jì)情況。氧化鈣會與煙氣中SO3反應(yīng)生成石膏CaSO4而覆蓋催化劑表面，由于托普索脫硝催化劑具有三種孔徑分布，具有非常高的抵抗“中毒”的能力，包括由灰中高含鈣量所引起的“中毒”，即使表面有大量的石膏覆蓋，還會有到達(dá)活性位的可用通道。
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證脫硝效率為94%，氨逃逸只有3ppm，實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)需要催化劑具有高性能且對氨/NOx混合的要求更高。當(dāng)要求高脫硝效率和低氨逃逸時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)要素達(dá)到適宜平衡是非常關(guān)鍵的。對脫硝效率和氨逃逸量的要求越嚴(yán)格，對氨和煙氣（NOx）混合的要求越高。
托普索公司開發(fā)了專有混合裝置----星形混合器，由一些形狀為帶四角星的圓盤組成。星形混合器按照一定的角度安裝在煙氣中，使盤后氣流形成渦流。該裝置實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)的最佳混合效果，且壓損很小。
形混合器，并結(jié)合認(rèn)真地流場模擬，可以使系統(tǒng)在達(dá)到94%脫硝效率、3ppm氨逃逸量所需的理想混合效果的同時(shí)，系統(tǒng)壓損小于339Pa（不包括催化劑層壓降）。
6.結(jié)論
NOx排放法規(guī)的要求越來越嚴(yán)格，為了在燃煤鍋爐高灰份情況下，仍然實(shí)現(xiàn)SCR脫硝裝置的高脫硝效率并保持最小的氨逃逸量，認(rèn)真選擇催化劑類型和正確設(shè)計(jì)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。
托普索公司脫硝催化劑是經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證過的具有非常好的抵抗中毒能力的催化劑。系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮各種因素的影響，如：煤的高灰分、灰中含鈣、堿金屬等。系統(tǒng)還配備有效的催化劑清灰系統(tǒng)。在驗(yàn)證高塵SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性時(shí)，還應(yīng)用煙氣流場模擬方法。流場模擬有兩種方式，一種是CFD模擬，另一種是實(shí)體模型模擬。在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用實(shí)體模型模擬可以驗(yàn)證煙氣流速分布均勻性，確定煙氣流動調(diào)節(jié)裝置的布置，評估飛灰的沉積和分布狀況。
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