影響蜂窩式煙氣脫硝催化劑設(shè)計(jì)選型的因素

李新燕，孟凡強(qiáng)

(華電青島環(huán)保技術(shù)有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

大氣中的NOx是導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重環(huán)境問題的主要原因之一。2014年9月國(guó)家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020)的通知》(發(fā)改能源[2014]2093號(hào))，對(duì)煤電機(jī)組排放的NOx含量提出了新的要求。東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值-NOx排放量不高于50 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6% O2)，中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。隨著國(guó)家對(duì)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，新一批燃煤機(jī)組脫硝改造項(xiàng)目陸續(xù)開展。目前，應(yīng)用最廣、最為有效的煙氣脫硝技術(shù)是氨氣選擇性催化還原NO(NH3-SCR) 技術(shù)。該技術(shù)的核心部分是脫硝催化劑，催化劑的設(shè)計(jì)和選型直接影響脫硝系統(tǒng)性能。因此，本文對(duì)影響蜂窩式煙氣脫硝催化劑設(shè)計(jì)選型的因素進(jìn)行了論述和總結(jié)，為脫硝催化劑的設(shè)計(jì)選型以及后續(xù)催化劑的運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。

1 影響蜂窩式催化劑節(jié)距選擇的因素

影響蜂窩式催化劑節(jié)距選擇的主要因素是煙氣中灰含量及灰特性，灰含量對(duì)孔數(shù)選取的影響見表1。對(duì)于增加備用層的項(xiàng)目除考慮灰含量外，還應(yīng)遵循以下原則：盡量與原催化劑孔數(shù)保持一致；節(jié)距選擇時(shí)考慮灰特性、磨損、流速、流場(chǎng)等實(shí)際情況。灰顆粒較大、黏度較高、流速較大時(shí)應(yīng)選取節(jié)距稍大的催化劑。

表1 灰含量對(duì)孔數(shù)選取的影響

2 影響催化劑活性衰減系數(shù)β的因素

催化劑的活性衰減系數(shù)β用于衡量催化劑在運(yùn)行過程中的活性衰減速率，β越大催化劑衰減速率越小，催化劑失活越慢，設(shè)計(jì)時(shí)所需要的催化劑體積量越少。β越小催化劑衰減速率越大，催化劑失活越快，所需催化劑體積量越大。燃燒煤的成分、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品長(zhǎng)度、脫硝裝置可用率以及催化劑迎風(fēng)面流速(Ugs)等因素對(duì)β的取值都有影響。其中，燃煤成分對(duì)β的影響最大，具體包含煤中As含量、灰中CaO含量、收到基全硫含量、煤低位發(fā)熱量、含灰量等幾方面。在此以某設(shè)計(jì)化學(xué)壽命24 000 h的600 MW燃煤機(jī)組為例，對(duì)以上影響因素分別進(jìn)行討論。

2.1 煤中As含量影響

煤中As含量對(duì)活性衰減系數(shù)β和催化劑體積量的影響曲線如圖1所示。煤中的As含量對(duì)β的影響呈線性關(guān)系，隨著煤中As含量的增加，β值變小，所需催化劑的體積量增加。這是由于當(dāng)煤燃燒時(shí)，煤中的As元素會(huì)轉(zhuǎn)移到煙氣中，當(dāng)燃燒溫度高于1 400 ℃，砷元素(As)會(huì)被氧化成氣態(tài)的As2O3。一方面As2O3在催化劑表面發(fā)生凝結(jié)堵塞催化劑表面微孔，另一方面氣態(tài)As2O3很容易同催化劑中的活性成分V2O5發(fā)生反應(yīng)，在催化劑表面形成As2O5， 導(dǎo)致催化劑活性組分流失[1-2]， 失活機(jī)理如圖2所示。

圖1 煤中As含量對(duì)β和催化劑體積量影響

圖2 As導(dǎo)致催化劑失活機(jī)理

2.2 灰中CaO含量影響

灰中CaO含量對(duì)活性衰減系數(shù)β和催化劑體積量的影響曲線如圖3所示。隨著煤中CaO含量的增加β先增加后降低，當(dāng)CaO含量為1%左右時(shí)最有利于催化劑活性保持，這是因?yàn)樯倭康难趸}可與煤中的砷發(fā)生反應(yīng)，有利于催化劑活性的保持。過多的氧化鈣導(dǎo)致催化劑失活的原因?yàn)椋衡}離子及其化合物(CaSO4、CaCO3等)一方面通過在催化劑表面沉積堵塞催化劑孔使催化劑活性降低，另一方面Ca2+可以中和催化劑表面酸性位(活性位)，導(dǎo)致催化劑活性減少，導(dǎo)致催化劑失活[3-5]。

圖3 灰中CaO含量對(duì)β和催化劑體積量影響

2.3 煤的收到基中全硫含量的影響

收到基全硫含量對(duì)活性衰減系數(shù)β和催化劑體積量的影響曲線如圖4所示。煤中的硫含量對(duì)β的影響呈線性關(guān)系，隨著煤中硫含量的增加，β值變小，所需催化劑的體積量增加。這是由于當(dāng)煤燃燒時(shí)，煤中的硫轉(zhuǎn)變成煙氣中的SO2、SO3，它們與噴入的NH3反應(yīng)，生成硫酸氫銨和硫酸銨，硫酸氫銨具有黏性會(huì)堵塞催化劑微孔和孔道造成催化劑失活[6]。

圖4 全硫含量對(duì)β和催化劑體積量影響

2.4 煤低位發(fā)熱量的影響

單位質(zhì)量的燃料在完全燃燒時(shí)所發(fā)出的熱量稱為燃料的發(fā)熱量，高位發(fā)熱量是指1 kg燃料完全燃燒時(shí)放出的全部熱量，包括煙氣中水蒸氣已凝結(jié)成水所放出的氣化潛熱。從燃料的高位發(fā)熱量中扣除煙氣中水蒸氣的氣化潛熱時(shí)，稱為燃料的低位發(fā)熱量。由于低位發(fā)熱量最接近工業(yè)鍋爐燃燒時(shí)的實(shí)際發(fā)熱量，所以被用于催化劑設(shè)計(jì)選型的設(shè)計(jì)計(jì)算。低位發(fā)熱量越高說(shuō)明煤中可燃燒的成分越多，灰分越少，煤質(zhì)越好。 煤低位發(fā)熱量對(duì)β和催化劑體積量影響關(guān)系曲線如圖5所示。煤低位發(fā)熱量越高，β值越大，所需催化劑體積量越小。

圖5 煤低位發(fā)熱量對(duì)β和催化劑體積量影響

2.5 煙氣中灰含量的影響

煙氣中灰含量(標(biāo)態(tài))對(duì)衰減系數(shù)β和催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖6所示。在30～45 g/m3的含灰量范圍內(nèi)，隨著灰含量的增加β值略有降低，所需催化劑體積(18孔)略有升高，但影響作用不如以上幾個(gè)因素明顯。這是由于煙氣中的灰一方面可導(dǎo)致催化劑磨損，另一方面造成催化劑孔道堵塞，但根據(jù)灰含量選取合適節(jié)距的催化劑，定期用聲波或蒸汽吹灰器對(duì)灰進(jìn)行清除，可有效防止由于灰引起的催化劑失活。

圖6 煙氣中灰含量對(duì)β和催化劑體積量影響

綜上所述，煤對(duì)SCR催化劑的失活有很大的影響。由于我國(guó)能源政策影響，我國(guó)電廠所用燃煤質(zhì)量通常較低，其中灰分和水分通常較高。此外，不同地區(qū)的煤的差異也很大，電廠用煤經(jīng)常發(fā)生變化。因此，只有更好地了解了我國(guó)電廠燃煤特點(diǎn)后，才可以提高我國(guó)燃煤SCR催化劑的適用性。

3 影響催化劑體積量的因素

設(shè)計(jì)選型過程中影響催化劑體積量的因素主要有：活性衰減系數(shù)β、煙氣量、煙氣成分(H2O含量、O2含量)、煙氣溫度、脫硝性能要求(脫硝效率、SO2氧化率、NH3逃逸)。

3.1 活性衰減系數(shù)β對(duì)體積量影響

由上文可知，活性衰減系數(shù)β主要受電廠燃煤條件影響，β越大越有利于催化劑活性的保持，在其他條件相同的情況下，所需要的催化劑體積量越小。β對(duì)催化劑體積量的影響關(guān)系曲線如圖7所示。β對(duì)體積量的影響成函數(shù)關(guān)系V=aβb(V代表催化劑體積、β代表衰減系數(shù)、a、b代表常數(shù)，)a、b受其他計(jì)因素的影響，隨項(xiàng)目的不同而不同。

圖7 β對(duì)催化劑體積量的影響

3.2 煙氣中O2含量對(duì)體積量的影響

在其他設(shè)計(jì)條件相同的前提下，煙氣中O2含量對(duì)催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖8所示，煙氣中的O2含量越多，所需要的催化劑體積越小。這是由于煙氣中的NOx成分主要是NO，NO含量占NOx總量的90%以上。脫硝反應(yīng)過程中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

(1)

(2)

(3)

反應(yīng)(1)是SCR工藝中最主要的反應(yīng)，因?yàn)镹Ox中NO含量超過90%，所以反應(yīng)(2)和(3)在實(shí)際過程中基本不發(fā)生。而反應(yīng)(1)需要O2參與，因此，O2含量越多，越有利于反應(yīng)(1)的進(jìn)行，所需要的催化劑量越小。

圖8 煙氣中O2含量對(duì)催化劑體積量的影響

3.3 煙氣中H2O含量對(duì)體積量的影響

在其他設(shè)計(jì)條件相同的前提下，煙氣中H2O含量對(duì)催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖9所示，煙氣中的H2O含量越多，所需要的催化劑體積越大，H2O的存在不利于催化劑的運(yùn)行。這是由于SCR反應(yīng)起始于NH3在催化劑上的吸附，H2O對(duì)催化劑的毒化作用主要是由于H2O與NH3的競(jìng)爭(zhēng)吸附[7]。因此，H2O含量越大，越不利于脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，所需要的催化劑體積量越大。

圖9 煙氣中H2O含量對(duì)催化劑體積量的影響

3.4 設(shè)計(jì)溫度對(duì)體積量的影響

在其他設(shè)計(jì)條件相同的前提下煙氣中設(shè)計(jì)溫度對(duì)催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖10所示，當(dāng)溫度低于390 ℃時(shí)，催化劑體積量隨溫度變化較小。當(dāng)溫度超過390 ℃時(shí)，隨溫度的升高催化劑體積量迅速增大。一方面，這是由于當(dāng)溫度高于390 ℃時(shí)，隨溫度的升高，SO2氧化率迅速增大。而SO2氧化率的控制是通過調(diào)節(jié)催化劑中活性組分V2O5含量實(shí)現(xiàn)的。V2O5含量越大，氧化率越高。為了控制SO2氧化率≤1%，必須降低催化劑內(nèi)V2O5含量，進(jìn)而導(dǎo)致單位體積的催化劑活性的降低。為保證脫硝效率，必須增加催化劑的體積。另一方面，高溫下容易導(dǎo)致催化劑的燒結(jié)失活。因此，為保證化學(xué)壽命期內(nèi)的催化劑活性，需增加催化劑的初始安裝體積。

圖10 設(shè)計(jì)溫度對(duì)催化劑體積量的影響

3.5 煙氣量對(duì)體積量的影響

在其他設(shè)計(jì)條件相同的前提下，煙氣量對(duì)催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖11所示，催化劑體積量與煙氣量成正比例線性關(guān)系，煙氣量越大，所需要的催化劑量越大。這是因?yàn)镹Ox濃度一定煙氣量越大，NOx總量越大，需要脫除的NOx量越多，所以需要的催化劑量越大。

圖11 煙氣量對(duì)催化劑體積量的影響

3.6 脫硝效率對(duì)體積量的影響

在其他設(shè)計(jì)條件相同的前提下，脫硝效率對(duì)催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖12所示，在脫硝效率<90%時(shí)，隨著脫硝效率的增加，所需要的催化劑量也增加。當(dāng)脫硝效率>90%后，隨著脫硝效率增加，所需催化劑的量急劇大幅度增加。這是由于脫硝反應(yīng)器中NH3∶NOx摩爾比、煙氣流速、煙氣溫度等分布存在不均勻性，脫硝效率越高，要求不均勻性偏差越小，而在實(shí)際運(yùn)行中這種不均勻性偏差是無(wú)法完全消除的。因此，只能通過增大加裝催化劑的體積來(lái)保證催化劑的脫硝性能。

圖12 脫硝效率對(duì)催化劑體積量的影響

3.7 SO2氧化率對(duì)體積量的影響

在其他設(shè)計(jì)條件相同的前提下，SO2氧化率對(duì)催化劑體積的影響關(guān)系曲線如圖13所示。隨著氧化率的增加，催化劑的體積量顯著降低。這是由于SO2氧化率影響催化劑中活性物質(zhì)V2O5含量，氧化率越大，V2O5含量越大，單位體積的催化劑具有的活性越多。而在脫硝效率要求相同的情況下，所需要的催化劑活性大小也相同。因此，單位體積催化劑的活性越多，所需要的催化劑總體積量越小。

圖13 SO2氧化率對(duì)催化劑體積量的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)影響蜂窩式煙氣脫硝催化劑設(shè)計(jì)選型的因素進(jìn)行論述和總結(jié)。通過以上論述，可以得出以下結(jié)論。

(1)煙氣中的灰含量及特性決定了催化劑節(jié)距(孔數(shù))的選取。

(2)活性衰減系數(shù)β，影響催化劑體積。而β主要受煤質(zhì)條件影響，煤中As含量越低、CaO含量越低(≮1%)、收到基全硫含量越低、煤低位發(fā)熱量越高、灰含量越少，越有利于催化劑活性的保持，活性衰減系數(shù)β越大，在其他設(shè)計(jì)條件相同的情況下，所需催化劑的體積越小。

(3)煙氣中的H2O含量和O2含量影響催化劑體積。H2O含量越小需要的催化劑體積越小，O2含量越大，所需催化劑體積越小。

(4)性能要求(脫硝效率、SO2氧化率、NH3逃逸)同樣影響催化劑體積。在其他設(shè)

計(jì)條件相同的條件下，脫硝效率越低、SO2氧化率越高，所需催化劑體積越小。

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