Characteristics of SCR catalyst and its app licati on in coal -fired power p lants DeNOx system
王义兵1
，孙叶柱1
，陈丰1
，林勇1
，梁学东
2
(1华能国际电力股份有限公司，北京 100031;2华能南京金陵发电有限公司，江苏南京 210034)
摘要: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。关键词:SCR；催化剂特性；应用；建议 Ab s trac t:The Se l e c ti ve C a ta l yti c R educ ti o n (SCR )is the m a i n fl ue ga s den itri fi ca ti o n techno l o gy i n the r m a lpow 2e r p l an ts a t p re se n t .The ca ta l ys ts a re the m o st i m po rtan t p a rt i n SCR fl ue ga s D e -NO x sys tem i n co a l -fire d pow e r p l an ts .The cha ra c te risti c s a nd app li ca ti o n o f d i ffe ren t SCR ca ta l ys ts a re com p a red and a na l yzed.The co nc l u s i o n ha s bee n d raw n tha t the ho ne ycom b typ e ca ta l yst is sup e ri o r t o o the rs i n p e rfo r m a nce.Som e sug 2ge sti o n s a re p u t f o r w a rd f o r the ca ta l yst se l e c ti o n unde r d i ffe ren t fl ue ga s co nd iti o n.Ke y wo rd s:Se l ec ti ve C a ta l yti c R educ ti o n;ca ta l ys t cha ra c te risti c;app li ca ti o n;sugge s ti o n
中图分类号:X701.7 文献标识码:B 文章编号:1009-4032(2009)04-013-03
面对严峻的大气环境形势，我国曾对1991年制定的《火电厂污染物排放标准》进行了两次修订，并
旋转翼
从2004年开始执行450mg/m 3
(V daf >20%)的NO x 排放标准，开始征收0.63元/kg 的NO x 排污费。目前，国家环保主管部门正在酝酿对污染物排放相关法规进行修订，并将实行更严格的NO x 排放标准，以加大对大气污染的控制力度。
1 SCR 脱硝概况
目前，国内新建电站锅炉均采用了低NO x 燃烧技术，该技术可将烟气中NO x 排放浓度降低30%～
60%，最低可达到300～400mg/m 3
(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NO x 反应生成无害的N 2和H 2O，从而达到除去NO x 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
。
图1 SCR 烟气脱硝工艺反应原理
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Ti O 2
3
1
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。
表1 3种形式催化剂的性能对比分析
项 目蜂窝式催化剂波纹式催化剂板式催化剂加工工艺均匀挤压成型后锻烧覆涂式双侧挤压成型比表面积大小中等
同等条件所需体积量100 1.53～1.76 1.30
抗中毒能力强中等强
安全性发生过烧毁助燃发生过烧毁持久性好较差较强
防堵灰能力一般较差较好
可靠性较好一般较好
自动奶茶机综合成本低一般较低
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。插卡式摄像机
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CF D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
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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Ca O过高，催化剂活性将被削弱。飞灰中的CaO与S O
3
反应，在
催化剂表面形成一层CaS O
4膜，从而影响NO
x
与
NH3的脱硝反应。相对于板式催化剂来讲，蜂窝式催化剂受Ca O的影响较小，抗Ca O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7.5
mm、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。参考文献:
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收稿日期:2009203201；修回日期:2009206223
CS CN作者简介：王义兵(19722)，男，山东淄博市人，高级工程师，长期从事电力环保、电力基建管理等工作。E-mail:wangyibing001@ sina
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2009年 王义兵等：火电厂SCR烟气脱硝催化剂特性及其应用 第4期
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