高灰分煤種SCR脫硝裝置催化劑選擇論述

吳沛

0.前言

根據(jù)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國(guó)發(fā)【2011】26號(hào)）規(guī)定： “十二五”期間新建燃煤機(jī)組全部安裝脫硫脫硝設(shè)施，單機(jī)容量30萬(wàn)千瓦及以上現(xiàn)役燃煤機(jī)組全部加裝脫硝設(shè)施。所以，煙氣脫硝技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前火力發(fā)電廠面臨解決的問(wèn)題。

煙氣脫硝技術(shù)主要包括：選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）、選擇性非催化還原與選擇性催化還原聯(lián)合法（SNCR/SCR）、液體吸收法、微生物法、活性炭吸附法、電子束法等。其中， SCR脫硝技術(shù)是國(guó)外最廣泛采用的煙氣脫硝技術(shù)，也是我國(guó)火電廠煙氣脫硝的首選技術(shù)。SCR脫硝系統(tǒng)由SCR反應(yīng)器、煙道系統(tǒng)、氨儲(chǔ)存和制備系統(tǒng)系統(tǒng)、氨噴射和混合系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。SCR脫硝催化劑作為系統(tǒng)的核心部件，直接決定著SCR系統(tǒng)的運(yùn)行效果，同時(shí)由于SCR催化劑價(jià)格昂貴，對(duì)系統(tǒng)造價(jià)有很大貢獻(xiàn)，約占總造價(jià)的40-50%。

1.脫硝催化劑的發(fā)展

目前電廠脫硝催化劑類(lèi)型有平板式催化劑、蜂窩式催化劑和波紋板式催化劑三種，絕大多數(shù)電廠均采用平板式和蜂窩式催化劑，兩者市場(chǎng)份額占90%以上。平板式催化劑和蜂窩式催化劑19世紀(jì)70年代在日本首先開(kāi)發(fā)成功，并得到大規(guī)模應(yīng)用。隨著歐洲和美國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格，歐洲和美國(guó)開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)SCR脫硝催化劑。當(dāng)時(shí)主要的蜂窩式催化劑廠商奧地利的CERAM、德國(guó)的SIEMENS（后來(lái)的ARGILLON，現(xiàn)在的Johnson Matthey ARGILLON）、美國(guó)的CORMETECH等，平板式催化劑廠商包括日本的日立和德國(guó)的SIEMENS（后來(lái)的ARGILLON，現(xiàn)在的Johnson Matthey ARGILLON），其中JM ARGILLON是全球唯一的一家同時(shí)生產(chǎn)蜂窩式和平板式催化劑的廠家。在20世紀(jì)80年代，Topsoe和日立造船開(kāi)始開(kāi)發(fā)波紋板式催化劑并應(yīng)用，相對(duì)平板式和蜂窩式催化劑，其應(yīng)用業(yè)績(jī)較少。

2.不同類(lèi)型催化劑特點(diǎn)

蜂窩式催化劑、平板式催化劑和波紋板式催化劑主要是按照其斷面形狀來(lái)區(qū)分的：蜂窩式催化劑斷面為矩形，采用活性材料整體擠出成型；平板式催化劑以不銹鋼篩網(wǎng)板為擔(dān)體表面碾壓活性物質(zhì)，每隔一段距離留有一個(gè)褶皺；而波紋板式催化劑則是以類(lèi)似于紙質(zhì)的纖維板制作成波紋形狀后彼此疊加工成模塊后再在溶液中浸漬、干燥和煅燒后得到。具體特性見(jiàn)表1。

表1 催化劑類(lèi)型的比較

2.1不同類(lèi)型催化劑的適用性

由于制備工藝和斷面形狀的不同，不同類(lèi)型催化劑適用范圍有所不一樣。

波紋板式催化劑具有最大的比表面積，體積用量相對(duì)最小，但由于采用紙質(zhì)纖維表面浸漬活性物質(zhì)的制備工藝和波紋板式結(jié)構(gòu)，在燃煤高灰煙氣條件下更容易堵塞。由于飛灰的磨損會(huì)造成表面活性物質(zhì)快速流失，催化劑迅速失去活性；磨損嚴(yán)重時(shí)飛灰甚至?xí)苯訉?duì)紙質(zhì)纖維板擔(dān)體進(jìn)行沖刷造成其斷裂；另外，由于活性物質(zhì)較少和紙質(zhì)擔(dān)體材料強(qiáng)度不夠，不能夠進(jìn)行再生。綜上所述，波紋板催化劑一般應(yīng)用在無(wú)灰和低灰的場(chǎng)合，在燃煤高灰煙氣條件下性能較差，主要集中在燃油和燃?xì)鈭?chǎng)合，全球波紋板式催化劑的業(yè)績(jī)不到10%。

平板式催化劑空隙率高，飛灰容易通過(guò)，不易堵灰；采用不銹鋼篩網(wǎng)薄板作為擔(dān)體，在運(yùn)行會(huì)發(fā)生持續(xù)震動(dòng)，不易積灰，抗中毒性能強(qiáng)；由于采用不銹鋼篩網(wǎng)板作為支撐，機(jī)械強(qiáng)度大，不會(huì)坍塌，安全性好，在高灰燃煤煙氣條件下有很好的適應(yīng)性。

雖然蜂窩式催化劑與平板式催化劑相比，其通流面積較小和機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較弱，其抗堵塞和抗磨損性能低于平板式催化劑，極高灰的條件下仍有一定堵塞和磨損坍塌的風(fēng)險(xiǎn)，但是由于其比表面積較大，在燃煤煙氣中低灰條件下所需體積量較小，同時(shí)，由于蜂窩式催化劑活性成分使用量較大，在高灰的磨損下表面可以得到更新，長(zhǎng)久保持活性。

蜂窩式和平板式催化劑在燃煤電廠都有廣泛的應(yīng)用，但一般來(lái)說(shuō)，蜂窩式催化劑更適合于燃?xì)?、燃油和燃煤中低灰煙氣條件脫硝，平板式催化劑更適合高灰和極高灰燃煤煙氣條件。

2.2不同類(lèi)型催化劑的防堵性能

由于不同類(lèi)型催化劑的斷面形狀和結(jié)構(gòu)的不同，三種類(lèi)型的催化劑的防堵性能也有所差異。美國(guó)一燃煤電廠對(duì)不同類(lèi)型催化劑在同一SCR反應(yīng)器中進(jìn)行防堵性能比較實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：波紋板式催化劑完全堵死；小節(jié)距蜂窩式催化劑基本堵死，大節(jié)距蜂窩式催化劑零星堵塞；平板式催化劑完全未堵塞。實(shí)驗(yàn)證明平板式催化劑在高灰燃煤煙氣條件具有最好的防堵性能。

平板式催化劑之所以具有最好的防堵性能，除其通流截面積最大外，更主要是因?yàn)槠洳捎貌讳P鋼篩網(wǎng)薄板作為擔(dān)體，制作成類(lèi)似于空預(yù)器換熱板的形狀，在煙氣流通時(shí)會(huì)發(fā)生連續(xù)震動(dòng)，飛灰不易在其表面沉積。

2.3不同類(lèi)型催化劑的防磨損性能

由于不同類(lèi)型催化劑的制備工藝和結(jié)構(gòu)不同，三種類(lèi)型催化劑的防磨損性能也有差異。

波紋板式催化劑由于采用紙質(zhì)玻璃纖維板作為擔(dān)體，并使用浸漬工藝，在燃煤煙氣中飛灰沖擊下，會(huì)造成波紋板式催化劑表面活性物質(zhì)很快流失，活性迅速下降，并可能對(duì)紙質(zhì)纖維板直接沖刷，造成斷裂。

平板式催化劑和蜂窩式催化劑抗磨損性的比較

平板式和蜂窩式催化劑均可在燃煤電廠中使用，對(duì)抗飛灰磨損都有一定的效果。但是相比于采用陶土作為載體的蜂窩式催化劑，平板式催化劑是以不銹鋼篩網(wǎng)作為催化劑載體的，在煙氣速度較快、含灰量較高情況下，不銹鋼篩網(wǎng)可有效保護(hù)催化劑免受煙氣中飛灰對(duì)催化劑的磨損，從而避免坍塌。如果蜂窩式催化劑壁厚太薄，在高塵濃度沖刷下仍然具有被磨穿斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4不同類(lèi)型催化劑飛灰濃度的適應(yīng)性

由于磨損和飛灰堵塞等原因，不同類(lèi)型催化劑適應(yīng)不同的飛灰濃度。波紋板式催化劑由于自身特點(diǎn)，一般很少應(yīng)用在燃煤煙氣條件，蜂窩式和平板式催化劑均可以應(yīng)用在燃煤煙氣條件。由于平板式催化劑自身的特點(diǎn)，其在高灰燃煤煙氣條件下更具優(yōu)勢(shì)。根據(jù)日立BHK和ARGILLON的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般在25g/Nm3的飛灰濃度以上平板式催化劑的優(yōu)勢(shì)就很明顯。

2.5平板式催化劑的壓降優(yōu)勢(shì)

由于平板式催化劑的通流面積大，而且不易發(fā)生通道堵塞，平板式催化劑的壓降是三種類(lèi)型催化劑中最小的，可以減少動(dòng)力消耗。

2.6平板式催化劑和蜂窩式催化劑的互換性

在全世界范圍內(nèi)，波紋板式、蜂窩式和平板式催化劑均采用模塊化設(shè)計(jì)，為了業(yè)主能有更多的選擇，不同類(lèi)型催化劑可以進(jìn)行互換。

2.7脫硝催化劑市場(chǎng)份額

在三種類(lèi)型的脫硝催化劑中，蜂窩式和平板式催化劑在全世界范圍內(nèi)占據(jù)90%以上的電廠脫硝催化劑市場(chǎng)份額，波紋板式催化劑的市場(chǎng)份額不到10%，蜂窩式和平板式催化劑是世界上的主流脫硝催化劑產(chǎn)品。在國(guó)際市場(chǎng)的燃煤電廠脫硝領(lǐng)域，板式催化劑在燃煤電廠脫硝業(yè)績(jī)略高于蜂窩式，而蜂窩狀在燃?xì)馊加头矫妫瑯I(yè)績(jī)較為突出。在燃煤電廠業(yè)績(jī)方面板式催化劑和蜂窩狀催化劑之比為6：4。

3.結(jié)論

平板式催化劑和波紋板式催化劑是主流的脫硝催化劑類(lèi)型，目前平板式催化劑與蜂窩式催化劑在燃煤電廠脫硝中份額相當(dāng)。由于兩者特性不同，使用場(chǎng)合會(huì)有所差別：平板式催化劑在抗灰堵和安全性方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，從安全性角度會(huì)優(yōu)先選擇平板式催化劑，尤其是對(duì)于高灰煙氣條件；但蜂窩式催化劑比表面積大，對(duì)于中低灰煙氣條件，體積需求量小，從經(jīng)濟(jì)性上會(huì)優(yōu)先選擇蜂窩式催化劑。