高灰煙氣催化劑性能影響研究

劉漢強(qiáng)，楊建輝，甄志，路光杰

(1.國(guó)電新能源技術(shù)研究院，北京市 102209；2.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京市 100039)

(1. Guodian New Energy Technology Research Institute, Beijing 102209, China;2. Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co., Ltd., Beijing 100039, China)

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高灰煙氣催化劑性能影響研究

劉漢強(qiáng)1，楊建輝2，甄志2，路光杰2

(1.國(guó)電新能源技術(shù)研究院，北京市 102209；2.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京市 100039)

針對(duì)我國(guó)燃煤電廠高灰煙氣開發(fā)的新型高強(qiáng)脫硝催化劑，在某電廠2×600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。介紹了該燃煤電廠的脫硝系統(tǒng)特點(diǎn)和煙氣條件，高灰煙氣脫硝催化劑的設(shè)計(jì)與選型、脫硝工程驗(yàn)收情況和運(yùn)行18個(gè)月后催化劑的各項(xiàng)性能。結(jié)果表明：在高灰煙氣條件下，脫硝催化劑正常運(yùn)行3個(gè)月后，使用狀況正常，初期脫硝效率顯著，達(dá)到83.9%，凈煙氣NOx質(zhì)量濃度達(dá)到73.7 mg/m3，氨逃逸量、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)壓力損失等參數(shù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值；正常使用18個(gè)月后，脫硝催化劑各項(xiàng)性能正常，耐磨損性能優(yōu)異。

燃煤電廠；脫硝；選擇性催化還原脫硝催化劑；高灰煙氣

0 引 言

選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)脫硝技術(shù)是一種高效、可靠、成熟的煙氣脫硝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于燃煤電廠鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)中[1-3]，SCR脫硝催化劑是該技術(shù)的核心部件，具有價(jià)格昂貴、壽命短等特征[3-7]。近年來，我國(guó)一些企業(yè)通過技術(shù)引進(jìn)實(shí)現(xiàn)了脫硝催化劑的本地化生產(chǎn)，但是引進(jìn)技術(shù)存在著如何適應(yīng)中國(guó)煙氣條件的難題。由于國(guó)外脫硝催化劑一般是在煙氣含塵量不超過15 g/m3的環(huán)境中運(yùn)行使用，而目前我國(guó)很多的燃煤電廠其煙氣含塵量高達(dá)40～50 g/m3，國(guó)外的技術(shù)引進(jìn)方?jīng)]有處理我國(guó)惡劣燃煤條件煙氣(尤其高灰塵)的經(jīng)驗(yàn)，所以開發(fā)適合中國(guó)市場(chǎng)、適應(yīng)高灰煙氣條件的脫硝催化劑是我國(guó)脫硝領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急，也是面臨的重大挑戰(zhàn)。

近年來，一些科研機(jī)構(gòu)和催化劑生產(chǎn)公司的研發(fā)人員系統(tǒng)研究了蜂窩式脫硝催化劑在燃煤電廠煙氣中的磨損行為和抗磨損性能[3,8-11]，但所有研究結(jié)果都還僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室研究或數(shù)學(xué)模擬階段。本文基于某燃煤電廠2×600 MW機(jī)組的煙氣條件和脫硝系統(tǒng)特點(diǎn)，研究高灰煙氣脫硝催化劑的設(shè)計(jì)與選型、工程驗(yàn)收時(shí)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行情況以及系統(tǒng)運(yùn)行18個(gè)月后的催化劑各項(xiàng)性能。

1 適應(yīng)高灰煙氣系統(tǒng)的反應(yīng)器及脫硝系統(tǒng)特點(diǎn)

表1是某燃煤電廠2×600 MW機(jī)組省煤器出口(SCR反應(yīng)器入口)處的煙氣條件，工況為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(Boiler maximum continue rate, BMCR)工況。從表1看出，該電廠的鍋爐煙氣具有高含塵(約46 g/m3)特征。因此，選擇SCR脫硝催化劑時(shí)，不但要保證在設(shè)計(jì)煤種、鍋爐最大工況、處理100%煙氣量條件下，脫硝效率不小于82%，氨逃逸濃度不大于3×10-6，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，而且催化劑本身要比常規(guī)蜂窩式SCR脫硝催化劑具有更好的耐磨損性能，以保證穩(wěn)定的運(yùn)行使用和正常的機(jī)械壽命(一般不低于10年)。

表1 脫硝系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)及煙氣中的污染物成分(過量空氣系數(shù)為1.18)

Table 1 Flue gas parameters in entrance of de-NOxsystem and pollutants in flue gas(excess air ratio was 1.18)

脫硝系統(tǒng)示范工程采用SCR脫硝工藝以及高含塵布置方式。每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)SCR反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器內(nèi)的催化劑使用蜂窩式催化劑，按“2+1”層布置。采用尿素水解制氨系統(tǒng)供還原劑-氨氣，每套尿素水解制氨系統(tǒng)對(duì)應(yīng)1臺(tái)爐的2個(gè)SCR反應(yīng)器。

除此之外，為了充分顯現(xiàn)高灰脫硝催化劑在高灰煙氣中的性能優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)該項(xiàng)目的高灰煙氣特征，該示范工程在脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取了諸多改進(jìn)措施。

(1)煙氣系統(tǒng)：所有煙道在適當(dāng)位置配有足夠數(shù)量和大小的人孔門和清灰孔，以便于煙道(包括膨脹節(jié)和擋板門)的維修和檢查以及清除積灰。

(2)SCR反應(yīng)器：SCR反應(yīng)器是在充分進(jìn)行了物理模型流場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，反應(yīng)器流場(chǎng)均勻度高，反應(yīng)器入口煙道設(shè)導(dǎo)流板，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)部易于磨損的部位設(shè)計(jì)必要的防磨措施。反應(yīng)器內(nèi)部各類加強(qiáng)板、支架，設(shè)計(jì)成不易積灰的型式。

(3)吹灰系統(tǒng)：采用聲波吹灰器，每層催化劑層設(shè)5個(gè)聲波吹灰器，每臺(tái)反應(yīng)器共設(shè)10只聲波吹灰器。聲波吹灰器由分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)控制，每10 min發(fā)聲10 s，工作介質(zhì)為壓縮空氣，要求壓縮空氣供氣壓力≥0.62 MPa，雜質(zhì)小于40 micron，含油含水量不超過3%。

2 高灰脫硝催化劑的設(shè)計(jì)與選型

按照項(xiàng)目的要求，適應(yīng)高灰煙氣的新催化劑的性能指標(biāo)如下：

具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適應(yīng)中國(guó)高灰煤種的國(guó)產(chǎn)催化劑，與進(jìn)口催化劑在同樣磨損測(cè)試條件下，其重量損失比進(jìn)口催化劑低20%，其中催化劑橫向抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa，軸向抗壓強(qiáng)度≥2 MPa。

建成300 MW或以上國(guó)產(chǎn)高灰煙氣(煙氣含塵量大于30 g/m3)催化劑脫硝示范工程，NH3/NOx≤1，脫硝率≥80%，達(dá)到國(guó)家的環(huán)保要求，NH3逃逸率≤3×10-6，SO2氧化率≤1%，連續(xù)運(yùn)行小時(shí)數(shù)超過30 000 h。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究結(jié)果，高灰煙氣脫硝催化劑與傳統(tǒng)的蜂窩式SCR脫硝催化劑相比，在輔料成分、制備工藝和后續(xù)增強(qiáng)處理等方面均有所改進(jìn)，因此，在脫硝工程應(yīng)用中，能表現(xiàn)出更優(yōu)良的抗磨損性能，更靈活的煙氣條件適應(yīng)能力。應(yīng)用于該示范工程中的高灰脫硝催化劑的各種性能參數(shù)如表2所示。

3 驗(yàn)收期內(nèi)脫硝系統(tǒng)的性能檢測(cè)

高灰煙氣脫硝催化劑在線運(yùn)行3個(gè)月后，對(duì)該電廠煙氣脫硝裝置進(jìn)行了性能檢測(cè)。表3是將A、B反應(yīng)器的檢測(cè)數(shù)據(jù)平均取值后的最終檢測(cè)結(jié)果和結(jié)論。從表3可以看出，在鍋爐最大工況(600 MW)下，脫硝系統(tǒng)的脫硝效率、氨逃逸量、系統(tǒng)壓力損失等重要參數(shù)都滿足了煙氣脫硝要求，其中脫硝效率和氨逃逸性能表現(xiàn)非常突出。因此，實(shí)現(xiàn)了高灰煙氣脫硝催化劑在該燃煤電廠高灰煙氣中的穩(wěn)定、達(dá)標(biāo)應(yīng)用。

表2 高灰煙氣脫硝催化劑的設(shè)計(jì)參數(shù)

Table 2 Design parameters of de-NOxcatalyst applied for high-dust flue gas

表3 600 MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)的性能參數(shù)

4 高灰脫硝催化劑運(yùn)行18個(gè)月后的性能檢測(cè)

高灰煙氣脫硝催化劑在電廠脫硝系統(tǒng)中正常運(yùn)行1年半后，電廠停爐檢修，脫硝工程管理人員進(jìn)入到各SCR反應(yīng)器中，發(fā)現(xiàn)第1層脫硝催化劑部分區(qū)域具有孔道輕微堵塞的現(xiàn)象，但催化劑不存在端口嚴(yán)重磨損、碎裂和坍塌的情況。經(jīng)人工清灰后，催化劑模塊的照片如圖1所示。技術(shù)人員取出催化劑模塊中的測(cè)試樣，送至江蘇龍?jiān)创呋瘎┯邢薰痉治鰷y(cè)試中心進(jìn)行各項(xiàng)性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

圖1 高灰煙氣脫硝催化劑模板使用18月后的表面照片

從表4可以看出，高灰脫硝催化劑的抗壓強(qiáng)度和耐磨損性能比新催化劑有所降低，其中抗壓強(qiáng)度下降的幅度稍大。一方面是由于在高灰煙氣中使用過程中，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，催化劑的機(jī)械性能會(huì)相應(yīng)發(fā)生衰減；另一方面可能在測(cè)試樣品取樣、運(yùn)輸、切割過程中，催化劑的強(qiáng)度受到了損害。催化劑的耐磨損性能比新催化劑下降了約17%，基本屬于催化劑機(jī)械性能正常衰減的范圍。高灰煙氣脫硝催化劑在使用過程中，表面積累了較多的Fe、K、Na，但是這些吸附的金屬離子并沒有導(dǎo)致催化劑活性明顯的降低。

總之，高灰煙氣脫硝催化劑在該電廠高含塵煙氣條件下長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的使用，只存在正常的老化現(xiàn)象，這說明高灰煙氣脫硝催化劑本身所具有的機(jī)械性能、物化性能和催化性能都滿足燃煤電廠高灰煙氣條件下的使用要求。該脫硝工程的正常運(yùn)行表明，我公司在開發(fā)和應(yīng)用適合于我國(guó)燃煤煙氣高灰塵條件的新型高強(qiáng)脫硝催化劑的道路上邁出了重要的一步。

5 結(jié) 語

適用于燃煤電廠高灰煙氣的SCR脫硝催化劑在某電廠2×600MW機(jī)組脫硝系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。脫硝前，該電廠燃煤煙氣中的含塵量達(dá)到46 g/m3，屬于我國(guó)燃煤電廠中典型的高灰煙氣。經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)、選型和特殊制備的SCR脫硝催化劑，在該電廠脫硝系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，經(jīng)第三方檢測(cè)，使用狀況正常，脫硝效率顯著，達(dá)到83.9%，凈煙氣NOx質(zhì)量濃度達(dá)到73.7 mg/m3，氨逃逸量、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、系統(tǒng)壓力損失等參數(shù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。高灰煙氣脫硝催化劑正常使用18個(gè)月后，催化劑各項(xiàng)性能正常，耐煙氣磨損性能優(yōu)異，完全滿足了在燃煤電廠高灰煙氣中正常使用的各項(xiàng)性能要求。

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(編輯：蔣毅恒)

Effect of High-Dust Flue Gas on Catalyst Performance

LIU Hanqiang1, YANG Jianhui2, ZHEN Zhi2, LU Guangjie2

The de-NOxcatalyst developed for the high-dust flue gas in power plant was successfully applied in denitration system for 2×600 MW units in a power plant. The characteristics of denitration system and the conditions of flue gas in this power plant were introduced, as well as the design and selection of the de-NOxcatalyst, the acceptance of denitration engineering and the changes of various performance parameters of de-NOxcatalyst used for 18 months. The results show that the application of de-NOxcatalyst developed for the high-dust flue gas for 3 months is very well. The denitration efficiency which reaches about 83.9% is significant, and the NOxconcentration is reduced to about 73.7 mg/m3in the flue gas. Simultaneously, the amount of ammonia slip, SO2/SO3conversion rate, and the loss of system pressure are better than the design value. In addition, after used in the high-dust flue gas for 18 months, various performance of the de-NOxcatalyst is normal, and wear resistance is excellent.

denitration in power plant; selective catalytic reduction catalyst; high-dust flue gas

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2012AA06A113；2010AA065003)。

(1. Guodian New Energy Technology Research Institute, Beijing 102209, China;2. Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co., Ltd., Beijing 100039, China)

TM 621;X 511

A

1000-7229(2015)04-0091-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.015

2014-10-07

2014-11-30

劉漢強(qiáng)(1965)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力環(huán)保工程建設(shè)及大氣污染防治工作；

楊建輝(1984)，男，博士，工程師，主要從事SCR脫硝催化劑制備及再生工藝的研究工作；

甄志(1978)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事火力發(fā)電廠脫硫脫硝工程設(shè)計(jì)工作；

路光杰(1964)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事大氣污染防治及燃煤電廠環(huán)保技術(shù)的研究工作。

Project Supported by The National High Technology Research and Development of China (863 Program) (2012AA06A113；2010AA065003).