1 催化剂的种类
SCR 系统中的重要组成部分就是催化剂,其成本是整个SCR 系统投资的主要部分,因此对于催化剂的选型对于整个SCR系统的正常运行至关重要。
燃煤电厂 SCR运用中对催化剂的要求如下：
<1> 具有较高的NOx选择性；
<2> 在较低的温度下和较宽的温度范围内具有较高的催化活性； <3> 具有较高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性；
<4> 费用较低；
<5> 烟气压力损失小。
目前燃煤电厂SCR中常用的催化剂类型包括蜂窝式,板式和波纹板式,各种不同形式的催化剂
比较请参见下表。板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材,负载上含有活性成分的载体压制成板状；蜂窝式催化剂是由蜂窝陶瓷基材、金属载体和分散在蜂窝表面的活性组分组成,或金属载体负载活性成分直接挤压成蜂窝状的催化剂,本项目采用无毒催化剂。 不同形式催化剂比较
项目 | 蜂窝式 | 板式 | 波纹板式 |
结构形式 | | | |
aaaaaaaaaaa主要生产厂家 | Cormetech/Agillon 催化剂化成/XX龙源/XX远达/XX天璨 | BHK Agillon | Topsoe Hitz |
基材 | 整体挤压成型 | 旋转连接不锈钢网 | 纤维 |
加工工艺 | 均匀挤出式 | 涂覆式<钢架构支撑> | 覆涂式 <玻璃纤维架构支撑> |
比表面积 | 1.5~1.8 | 1耐热粘合剂 测井设备 | 1.27 |
同等条件下所需体积 | 1 | 1.4 | 1.2 |
开孔率 | 80% | 87% | 75% |
抗堵性 | 中等 | 强 | 中等 |
抗磨性 | 强 | 强 | 中等 |
压损 | 1.12 | 1 | 1.48 |
全球业绩 | ≈65% | ≈33% | 很少 |
| | | |
各公司催化剂的有效成分和制备方法各不相同,但其一般制备方法是：蜂窝状催化剂都是将催化剂载体制成浆体挤压成型,经干燥焙烧后浸渍上催化剂活性成分,再经过干燥焙烧后制作成催化剂成品；平板型催化剂是在金属网格上压制催化剂载体,经干燥焙烧后浸渍加入活性成分,再干燥焙烧后成为成品催化剂。在具体电站的应用,因其特性、当地实际情况和对脱硝效果的要求不同,对催化剂的大小、成分、工作条件等也进行相应的具体调节,以适应电站的要求。
对催化剂性能影响较大的因素有反应温度、催化剂量、氨的注入量等。由于在 300～400℃这个温度区间催化剂有最佳活性,通常脱硝反应设定在这个温度范围内。当反应温度不在这个温度范围内时,催化剂的性能将降低,尤其是在高温区域使用时,由于过热促使催化剂的表面被烧结,使催化剂寿命降低。催化剂反应温度的依赖特性是由催化剂的各种活性成分的含有浓度以及比例所决定的。通过适当地选择活性金属的组成,可以制造适合于各种用途且具有最佳特性的催化剂。
催化剂的量是根据脱硝装置的设计能力和操作要求来决定的,增加催化剂量可以提高脱硝性能,在实际应用中,催化剂的初期充填量是设计要求的最适量和使用期间的损失量之和。烟气中的 NOx 和 NH3几乎是 1:1 的反应。
2 催化剂规格的选择
蜂窝式催化剂在不同烟气含灰量下孔径的选择如下：
孔数 | 应用范围 | 含灰量〔mg/Nm3 | 节距<mm> |
16 | 燃煤 | 50000mg/Nm3左右 | 9.4左右 |
18 | 燃煤 | 40000mg/Nm3左右 | 8.4左右 |
20 | 燃煤 | 30000mg/Nm3左右 | 7.4左右 |
标本缸21 | 燃煤 | 20000mg/Nm3左右 | 7.1左右 |
25 | 燃油 | ≤500 | 6.0左右 |
35 | 燃气 | ≤50 | 4.3左右 |
| | | |
板式催化剂在不同烟气含灰量下板间距的选择如下：
灰含量〔g/Nm3 | 应用范围 | 板间距〔mm |
＜16 | 燃煤 | 5~6 |
≤16~30 | 燃煤 | 6左右 |
≤30~50 | 燃煤 | 6~7.1 |
| | |
对于本项目而言,含尘量大致为50g/m3,因此可选用16孔蜂窝催化剂。
3 催化剂的互换
目前世界各地生产的催化剂模块均为1m×2m的截面系列,唯一的区别在于模块的高度不同,因此根据各个项目的设计参数和性能要求,如果层高尺寸按较高的催化剂模块进行考虑、承载按较重的催化剂模块考虑,这样即可实现不同厂商催化剂模块的互换。
4催化剂失效的因素
尽管催化剂具有抗性能退化特性,但随着时间的推移,催化剂的性能潜力会通过两种常见模式衰减：可用活性部位数量减少和活性部位掩蔽。下表给出其它几种催化剂毒物以及影响性能潜力的几种机理。
衰减源 | 机理 |
温度>420℃ | 因陶瓷材料熔结而减小可用表面面积 |
<除高温催化剂外> |
细颗粒物质 | 熬至滴水成珠 通过掩蔽表面和阻止氨扩散到孔结构中使可用表面积 |
减小 |
氨硫化合物 | 堵塞孔,阻止氨扩散 |
碱金属, Na, K | 与活性部位发生离子交换 |
碱土金属, Ca, Mg | 通常以硫酸盐的形式与酸性部位结合,从而降低催化剂吸收NH3的能力,例如,以CaSO4的形式 |
卤素 | 可能与活性金属部位发生反应,并使之挥发 |
V, Pt, Cr 和该族元素 | 沉积在催化剂上,从而降低NH3生成NO的反应速度 |
硅氧烷 | 硅聚合物逐渐附着在催化剂表面上,掩蔽住活性部位 |
| |
在实际燃煤电厂的 SCR 系统运行中,催化剂的失效直接影响系统的正常运行和脱硝效率,失效缩短了催化剂的寿命,也就加大了电厂因更换催化剂而引起的成本投入。引起催化剂失效的原因主要有热烧结、碱金属中毒、砷中毒、碱土金属中毒、催化剂的堵塞和腐蚀及催化剂突变失效等。
热烧结是因为运行温度不当导致催化剂不能在其最适宜的温度范围内工作,使催化剂表面积减少而失效；碱金属可在化学上束缚催化剂活性位导致催化剂失效,飞灰中的自由 CaO 与吸附在催化剂上的 SO3反应生成 CaSO4,引起催化剂表面堵塞,阻碍 NOx与催化剂接触而不能充分反应,出现碱土金属中毒；砷中毒和催化剂堵塞腐蚀是实际 SCR催化剂应用中最常出现的失效因素,燃煤中的砷可以浓缩在催化剂的微孔中物理堵塞催化剂,还可通过 As2O3气体迅速在催化剂表面与O2和V2O5反应生成As2O5垄玥菲而粘结在催化剂表面,而使催化剂活性丧失；催化剂堵塞一般是由氨盐的沉积和飞灰沉淀引起的；腐蚀由在催化剂面上的飞灰冲击引起,是气体速度、灰特性、冲击角度和催化剂特性集体影响的结果。催化剂突变失效虽十分罕见,但它能使催化剂性能突然的永久性失去,一般认为其主要原因与灰集结点燃相关联,炉火强烈的热量能不可逆转地损伤任何 SCR 催化剂。
因此,对催化剂孔结构进行优化极其重要。需要对催化剂孔结构进行了特别设计,减小了扩散阻力,从而增强了均相催化剂抵抗砷化物的能力。除了均相催化剂本身固有的特性和特别设计的特性外,还采用了基于实验室和现场测试建立起来的计算机模型。这些模型预示了为保证各特定应用中正确催化剂体积应控制的催化剂毒物聚积速度。
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