SCR脫硝催化劑性能影響因素研究及應(yīng)用建議

摘 要：本文在試驗(yàn)室試驗(yàn)及電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究和討論煙氣溫度、面速度、線速度、NH3/NOX摩爾比、水含量、氧含量、CaO、堿金屬含量以及催化劑幾何尺等因素對(duì)SCR脫硝催化劑脫硝效率（活性）、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率、氨逃逸、壓降等性能指標(biāo)的影響，對(duì)于SCR脫硝催化劑的設(shè)計(jì)選型、設(shè)計(jì)優(yōu)化和電廠SCR系統(tǒng)性能考核修正以及實(shí)際運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝催化劑；脫硝性能；影響因素

1引言

目前，煙氣脫硝的主流技術(shù)是選擇性催化還原（Slective Catalytic Reduction）技術(shù)，而脫硝催化劑是實(shí)施該技術(shù)的核心和關(guān)鍵。SCR脫硝催化劑具有高活性、高選擇性等優(yōu)點(diǎn)，脫硝效率最高可達(dá)95%以上，絕大部分為高塵布置。國(guó)外SCR技術(shù)比較成熟，已有近40年的電廠商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)SCR煙氣脫硝技術(shù)起步較晚，在SCR脫硝催化劑設(shè)計(jì)選型、確定電廠脫硝系統(tǒng)性能考核試驗(yàn)條件以及與設(shè)計(jì)條件出現(xiàn)差異時(shí)如何對(duì)性能考核試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正經(jīng)驗(yàn)不足。因此，有必要對(duì)高塵布置的SCR脫硝催化劑性能的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

2影響因素試驗(yàn)研究

2.1 煙氣溫度（T）

通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，催化劑脫硝效率及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率隨溫度增高而增大，當(dāng)溫度超過(guò)425℃后，由于熱效應(yīng)的作用，催化劑微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，脫硝效率隨著溫度的增高反而有所下降；SO2/SO3轉(zhuǎn)化率卻急劇增加，如圖1所示。在實(shí)際運(yùn)行中，影響因素更為復(fù)雜。因此，該曲線圖表示的是一種變化趨勢(shì)，不同條件下其變化幅度會(huì)有所差異，在實(shí)際運(yùn)用需要對(duì)試驗(yàn)曲線加以修正。

2.2 NH3/NOx摩爾比

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)（如圖2所示）， NOx的脫除率隨著NH3/NOx摩爾比呈近似線性增加，由于NOx中有5%以NO2形式存在以及反應(yīng)方程式的平衡限制，當(dāng)NOx脫除率大于90%以后開(kāi)始趨于穩(wěn)定，要得到更高的NOx脫除率，需要比理論值更多的噴NH3量。由于投資成本和運(yùn)行費(fèi)用等的限制，實(shí)際的NH3/NOx摩爾比是催化劑和SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮的一個(gè)重要參數(shù)。

在確定入口NH3/NOx摩爾比時(shí)，入口氨濃度應(yīng)該以實(shí)際測(cè)定的SCR反應(yīng)器入口氨濃度為標(biāo)準(zhǔn)，而不能采用測(cè)定逃逸的氨與測(cè)定脫硝效率，并通過(guò)測(cè)的定脫硝效率反過(guò)來(lái)計(jì)算與NOx反應(yīng)需要的理論氨濃度加上測(cè)定的逃逸氨濃度之和作為入口NH3濃度。這樣計(jì)算的NH3/NOx摩爾比要比實(shí)際情況低5%左右。NH3/NOx摩爾比對(duì)氨逃逸的影響如圖3所示。

2.3面速度（AV）

面速度（AV）是指催化劑單位活性表面積單位時(shí)間內(nèi)所能處理的煙氣量，它是脫硝催化劑設(shè)計(jì)的又一至關(guān)重要參數(shù)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)（如圖4所示），脫硝催化劑的脫硝效率和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率隨AV變大而變小。

2.4線速度（LV）

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在停留時(shí)間相同情況下，脫硝效率隨線速度的增加而增大，當(dāng)線速度大于1m/s后，線速度對(duì)脫硝效率的影響不再明顯。

2.5 幾何尺寸

壓降也是SCR脫硝系統(tǒng)考核和催化劑設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，而催化劑長(zhǎng)度和節(jié)距對(duì)壓降的影響是顯而易見(jiàn)的。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)煙氣量一定時(shí)，催化劑節(jié)距越大，壓降越小。

2.6氧含量

氧含量對(duì)脫硝效率和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率均有較大的影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，催化劑脫硝效率和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率隨氧含量的增加而增大，但氧含量達(dá)到6%以后，脫硝效率隨著氧含量的變化不明顯。從催化劑選擇性催化還原的反應(yīng)方程式（1）、（2）可知，氧是主要的反應(yīng)物之一，煙氣中氧含量增加時(shí)，有利于反應(yīng)向右進(jìn)行，NOX脫除率隨之增加。但當(dāng)氧含量增加到一定濃度后， O2與NO、NH3分子優(yōu)先被催化劑表面及內(nèi)部孔隙選擇性吸附并達(dá)到反應(yīng)的動(dòng)態(tài)平衡，即氧含量達(dá)到反應(yīng)方程式（1）、（2）所需的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)量后脫硝效率達(dá)到最大，再繼續(xù)增加氧含量對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)不再明顯。此時(shí)，隨著氧含量繼續(xù)的增加，多于的氧將會(huì)促進(jìn)反應(yīng)方程式（4），使SO2/SO3轉(zhuǎn)化率增加。

2.7 CaO含量

CaO引起的催化劑中毒是致命的。因?yàn)镃aO自身是堿性物質(zhì)，而目前使用的V2O5/TiO2基催化劑的活性位是具有Lewis酸或Bronsted酸性質(zhì)的物質(zhì)，煙氣中游離態(tài)CaO和催化劑表面的酸位中和，減少催化劑的活性位，從而降低催化劑的活性。當(dāng)然CaO與催化劑表層酸性位物質(zhì)之間的反應(yīng)屬于固-固反應(yīng)，反應(yīng)速度較慢，所以單純的CaO堿性使得催化劑酸性下降并不會(huì)造成催化劑活性的大幅下降。

①催化劑CaO中毒在所難免，為了延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，可采用以下技術(shù)減少CaO中毒：

②在SCR脫硝工藝中，設(shè)置預(yù)除塵裝置和灰斗，降低進(jìn)入催化劑區(qū)域的灰量。

③增加吹灰頻率，降低飛灰在催化劑表面的沉積。

④對(duì)于CaO含量高的劣質(zhì)煤，最好選用比表面積大的蜂窩式脫硝催化劑。

2.8 堿金屬

堿金屬的影響主要是水溶性的堿金屬與催化劑的酸性活性位結(jié)合，導(dǎo)致催化劑中毒。煤中堿金屬（Na和K）的含量一般比Ca、Mg少得多，其存在形式有兩類(lèi)：一類(lèi)是活性堿，如氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽和有機(jī)酸鹽等；另一類(lèi)是非活性堿，主要存在于云母、長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物中。對(duì)于大多數(shù)催化劑，只要避免水蒸氣的凝結(jié)，可排除此類(lèi)危險(xiǎn)的發(fā)生。對(duì)于燃煤鍋爐來(lái)說(shuō)，發(fā)生堿金屬中毒危險(xiǎn)的可能性比較小，因?yàn)樵诿夯抑卸鄶?shù)的堿金屬是不溶的；對(duì)于燃油鍋爐，堿金屬中毒危險(xiǎn)較大，主要是由于水溶性堿金屬鹽的含量高。

4 應(yīng)用建議

通過(guò)對(duì)SCR脫硝催化劑性能影響因素的系統(tǒng)試驗(yàn)研究，及運(yùn)行實(shí)踐，在實(shí)際實(shí)施中有以下建議：

①煙氣溫度升高，脫硝效率和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率都會(huì)升高，但脫硝效率當(dāng)溫度達(dá)到380℃以后脫硝效率升高趨緩，且430℃以后開(kāi)始下降而SO2/SO3轉(zhuǎn)化率持續(xù)升高，催化劑的運(yùn)行溫度控制在300-430℃范圍內(nèi)，以360-410℃最佳。

②空速、面速及線速對(duì)催化劑脫硝效率及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率的影響本質(zhì)都是一樣的，但空速、面速是正影響，而線速是負(fù)影響。除項(xiàng)目特殊要求外，空速、面速及線速分別保持在3000-5000h-1、15-25m/h和2-3m/s比較適中。

③脫硝效率及氨逃逸隨氨耗量的增加而升高，但脫硝效率升高比較緩慢且NH3/NOx摩爾比到1.1以后趨于平穩(wěn)，而氨逃逸升高更為迅速且持續(xù)升高。NH3/NOx摩爾比保持在0.85-1.05較為合適。

④脫硝效率及SO2/SO3轉(zhuǎn)化率都隨煙氣中氧含量的增加而升高，而水分的增加使則脫硝效率降低、SO2/SO3轉(zhuǎn)化率升高。氧含量及水分分別在4-8%和10%以下比較適宜。如果氧含量、水分超出此范圍，可調(diào)整配方以保證催化劑性能。

⑤催化劑不同中毒元素的中毒機(jī)理不一樣。CaO中毒可采取預(yù)除塵、增加灰斗及吹灰頻率減輕；堿金屬中毒主要通過(guò)避免催化劑水蒸汽、酸的冷凝來(lái)防止。

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作者簡(jiǎn)介：

梁文茂（1984- ），男，廣西河池人，工程師，主要從事催化劑性能測(cè)試、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及應(yīng)用工作。