SCR工艺是火电厂的主流烟气脱硝技术,催化剂是SCR脱硝工艺的核心。通过对不同型式催化剂特性及其应用的对比分析,得出了蜂窝式催化剂综合性能较优的结论,并对不同烟气条件下的催化剂选择提出了建议。
1、SCR脱硝概况
目前,国内新建电站锅炉均采用了低NOx燃烧技术,该技术可将烟气中NOx排放浓度降低30%～60%,最低可达到300～400mg/m3(本烟气量均为标准状态值)。但若要达到更低的排放浓度,则必须安装烟气脱硝装置。
SCR法脱硝的原理是在催化剂作用下,还原剂(由液氨或尿素等生成的氨气)有选择性地与NOx反应生成无害的N2和H2O,从而达到除去NOx的目的。SCR法脱硝的反应原理如图1所示。
催化剂是SCR脱硝系统中关键且投资权重最重的项目,约占整个脱硝项目总投资的50%,其组成、结构、寿命等相关参数直接影响SCR烟气脱硝系统的脱硝效率及其运行状况。
2、SCR催化剂的分类及特性
2.1催化剂物理分类
按照加工成型与物理外观划分,脱硝催化剂主要分为蜂窝式、板式及波纹式(三角式)3种。其中蜂窝式与板式是主流产品,波纹式(三角式)催化剂的市场占有率较低。
2.2催化剂的特点
(1)蜂窝式是目前市场占有份额最高的催化剂形式,它是以Ti-W-V为主要活性材料,采用TiO2等物料充分混合,经模具挤压成型后煅烧而成。其特点是单位体积的催化剂活性高,达到相同脱硝效率所用的催化剂体积较小,适合灰分低于30g/m3、灰粘性较小的烟气环境。
(2)板式催化剂的市场占有份额仅次于蜂窝式催化剂。板式催化剂以金属板网为骨架,Ti-Mo-V为主要活性材料,采取双侧挤压的方式将活性材料与金属板结合成型,其模块形状与空预器的受热面很相似,节距为6.0～7.0mm,比表面积较小。此种催化剂的特点是:具有较强的抗腐蚀和防堵塞特性,适合于含灰量高及灰粘性较强的烟气环境。缺点是单位体积的催化剂活性低、相对荷载高、体积大,使用的钢结构多。
(3)波纹式催化剂的市场占有份额较低,多用于燃气机组。它以玻璃纤维或陶瓷纤维作为骨架,结构非常坚硬。这种催化剂的孔径相对较小,单位体积的催化效率与蜂窝式催化剂相近,相对荷载小一些,反应器体积普遍较小,支撑结构的荷载低,因而与其他型式催化剂的互换性较差。一般适用于含灰量较低的烟气环境。
2.3催化剂性能比较
3种形式催化剂的性能对比详见表1。
3、SCR催化剂应用中的影响因素
在理想状况下,脱硝催化剂可以长期使用。但在SCR装置实际运行中,各种原因可能会导致催化剂活性降低,寿命减少,如烟气中碱金属、砷造成的催化剂中毒;催化剂被烧结;催化剂孔堵塞;催化剂磨损;水蒸汽凝结和硫酸盐、硫铵盐沉积等。
催化剂堵塞和磨损是影响其机械寿命和活性的主要因素。因此,只有催化剂构造上具有防堵和抗磨损性能,才能保证催化剂具有较长的使用寿命和SCR设备的安全、稳定运行。
3.1催化剂孔径
对一定的反应器截面,在相同节距下,板式催化剂的通流面积在85%以上,蜂窝式催化剂的流通面积一般在80%左右。在实际应用中,选用大节距的蜂窝式催化剂,其防堵效果可接近板式催化剂。美国巴威公司的经验表明,一般情况下,烟气灰分在20～25g/m3时,板式催化剂孔径不宜小于5mm,蜂窝式催化剂的孔径不宜小于6mm。当烟气灰分在30g/m3及以上时,应选用更大节距的催化剂。
3.2计算机模拟(CFD)和物理模型试验
板式催化剂流通面积大,不易堵灰;蜂窝式催化剂流通面积一般,但每个催化剂壁面夹角都是90°,不易积灰,即便积灰也较易清除。有关研究表明,磨损主要发生在催化剂迎灰面的端部,其磨损程度与SCR反应器入口烟气速度分布的均匀性、灰成分和颗粒大小及形状有关。可以根据CFD流场和物理模型试验结果,调控第一层催化剂上游的烟气入射角,降低催化剂的磨损。
3.3提高催化剂的抗磨损能力
为了提高催化剂的抗磨损能力,应使用均质催化剂结构,不能使用表面涂层的催化剂结构。目前,在催化剂制造上有两种思路:
(1)顶端硬化。增加蜂窝式催化剂端部的硬度,以抵御迎灰面的磨损。对于平板式催化剂,因其支撑架为金属网,端部被磨损后,其金属基材暴露在迎风面,可阻止烟气的进一步磨损,一般认为板式催化剂的抗磨损性能较好。
(2)增厚。增加整体催化剂的壁厚,提高磨损腐蚀裕量,以延长催化剂的机械寿命。此举还有利于催化剂的清洗和再生。在工程应用中,为延长催化剂的使用寿命,除了增加催化剂的厚度外,还应尽可能地除去烟气中磨损性较强的大颗粒飞灰,这是减缓催化剂磨损的根本途径。
3.4煤中CaO对催化剂的影响
对于SCR脱硝系统,如果燃煤中CaO过高,催化剂活性将被削弱。飞灰中的CaO与SO3反应,在催化剂表面形成一层CaSO4膜,从而影响NOx与NH3的脱硝反应。相对于板式催化剂来讲,蜂窝式催化剂受CaO的影响较小,抗CaO中毒能力更强。
3.5再生和清洗
对催化剂进行清洗和再生,能够延长催化剂的整体寿命。催化剂再生的成本约为新催化剂价格的40%,化学寿命可达到新催化剂的80%。
由于蜂窝式催化剂是均质的,当其内壁厚合适(0.8～1.1mm),到达化学寿命时,仍具有一定的活性,而且物理形状基本完整,有利于清洗和再生。
而当催化剂内壁过薄时(如0.5mm),即使催化剂单元顶部经过煅烧硬化,其内部孔通道仍然容易破裂、折断。在此情况下,虽然催化剂仍具有残留活性,但由于物理形状不完整,不利于再生或清洗。
板式催化剂由于其催化活性层较薄,尤其在支撑架金属暴露后,更不利于清洗和再生。
3.6催化剂的层高
一般来说,每层催化剂的高度选择首先应满足烟气流场设计要求,方便催化剂的检修、维护。每层催化剂的高度为催化剂模块高度、横梁高度、单轨高度、提升起吊挂钩(含葫芦等)、催化剂模块专用提升设备(翻转装置)和空间裕量之和。
对催化剂层高的设计,欧美与日本的层高设计理念不同,欧美的典型设计标准为:催化剂模块高度最大约1600mm,横梁高度700mm,单轨高度约300mm,提升起吊挂钩约600mm,催化剂模块专用提升设备约250mm,空间裕量250mm。
对于反应器内部梁结构,欧美多采用方形梁,这种设计可有效避免烟气扰流和飞灰堆积;而日本则采用工字钢梁,梁高约为400mm。若采用工字钢梁,催化剂层高可降低300mm左右。
4结语
(1)通过对3种形式催化剂性能参数的比较以及综合分析发现,蜂窝式催化剂在国内外应用较广泛,综合性能较优。
(2)为提高蜂窝式催化剂的抗磨损和防堵性能,延长催化剂寿命,并为清洗、再生和循环使用提供有利条件,推荐采用“厚壁”蜂窝式催化剂。建议在低灰(烟尘低于25g/m3)烟气条件下,采用节距不小于7.5mm、壁厚不小于0.9mm的催化剂;中灰(烟尘质量浓度25～40g/m3)条件下采用节距不小于8.3mm、壁厚不小于1mm的催化剂;在高灰(烟尘质量浓度40～55g/m3)条件下采用节距不小于10mm、壁厚不小于1.2mm的催化剂。
(3)为利于每层催化剂前的烟气流场分布,减少氨的逃逸,并便于反应器内催化剂的检修维护,推荐在采用工字钢梁的情况下,催化剂最小层高应按1700mm+模块高度来设计,在采用方形钢梁的情况下,催化剂层高按2000mm+模块高度来设计。