火電廠SCR煙氣脫硝催化劑特性及其應(yīng)用
摘要: SCR工藝是火電廠的主流煙氣脫硝技術(shù),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(yīng)用的對比分析,得出了蜂窩式催化劑綜合性能較優(yōu)的結(jié)論,并對不同煙氣條件下的催化劑選擇提出了建議。
關(guān)鍵詞: SCR,催化劑特性,應(yīng)用,建議
面對嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)準(zhǔn),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(guān)法規(guī)進行修訂,并將實行更嚴(yán)格的NOx 排放標(biāo)準(zhǔn), 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(shù),該技術(shù)可將煙氣中NOx 排放濃度降低30% ～ 60% ,最低可達(dá)到300 ～400mg/m3 (本煙氣量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值) 。但若要達(dá)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(yīng)生成無害的N2 和H2O,從而達(dá)到除去NOx 的目的。SCR法脫硝的反應(yīng)原理如圖1所示。
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催化劑是SCR脫硝系統(tǒng)中關(guān)鍵且投資權(quán)重最重的項目,約占整個脫硝項目總投資的50% ,其組成、結(jié)構(gòu)、壽命等相關(guān)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(dá)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(cè)擠壓的方式將活性材料與金屬板結(jié)合成型,其模塊形狀與空預(yù)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(jié)構(gòu)多。
(3)波紋式催化劑的市場占有份額較低,多用于燃?xì)鈾C組。它以玻璃纖維或陶瓷纖維作為骨架, 結(jié)構(gòu)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(yīng)器體積普遍較小,支撐結(jié)構(gòu)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。
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3 SCR催化劑應(yīng)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(dǎo)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(jié);催化劑孔堵塞;催化劑磨損;水蒸汽凝結(jié)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(gòu)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(shè)備的安全、穩(wěn)定運行。
3. 1 催化劑孔徑
對一定的反應(yīng)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(yīng)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(dāng)煙氣灰分在 30 g/m3 及以上時,應(yīng)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(guān)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(yīng)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(guān)？梢愿鶕(jù)CFD流場和物理模型試驗結(jié)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(yīng)使用均質(zhì)催化劑結(jié)構(gòu),不能使用表面涂層的催化劑結(jié)構(gòu)。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(fēng)面,可阻止煙氣的進一步磨損,一般認(rèn)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(yīng)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(yīng)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(yīng),在催化劑表面形成一層CaSO4 膜,從而影響NOx 與 NH3 的脫硝反應(yīng)。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(xué)壽命可達(dá)到新催化劑的80%。
由于蜂窩式催化劑是均質(zhì)的,當(dāng)其內(nèi)壁厚合適 (0. 8～1. 1mm) ,到達(dá)化學(xué)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(dāng)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(yīng)滿足煙氣流場設(shè)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(shè)備(翻轉(zhuǎn)裝置)和空間裕量之和。
對催化劑層高的設(shè)計,歐美與日本的層高設(shè)計理念不同,歐美的典型設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備約250mm,空間裕量250mm。
對于反應(yīng)器內(nèi)部梁結(jié)構(gòu),歐美多采用方形梁,這種設(shè)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(jié)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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)按 1 700mm +模塊高度來設(shè)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(shè)計。
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