何文深，李恩池，李 楠

(1.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京 2010031;2.南京中船綠洲環(huán)保有限公司，江蘇南京 210039)

0 引言

近年來，NOx排放快速增長(zhǎng)已經(jīng)成為影響大氣質(zhì)量的突出因素，抵消了我國(guó)在SO2減排方面所付出的努力。隨著NOx排放污染的日趨嚴(yán)重，燃煤電廠煙氣脫硝已勢(shì)在必行，其中選擇性催化還原技術(shù)(SCR技術(shù))得到廣泛應(yīng)用［1］。2009年國(guó)家環(huán)保部發(fā)布了《2009－2010年全國(guó)污染防治工作要點(diǎn)》(環(huán)辦函(2009)247號(hào))，要求長(zhǎng)三角等重點(diǎn)地區(qū)新建機(jī)組同步建設(shè)脫硝工程，2015年底老機(jī)組完成脫硝改造?？梢灶A(yù)見，火電機(jī)組煙氣脫硝建設(shè)將成為繼煙氣脫硫之后又一項(xiàng)重大環(huán)保工程。

國(guó)內(nèi)某催化劑廠家是生產(chǎn)的催化劑在國(guó)電長(zhǎng)源荊州電廠脫硝工程1號(hào)機(jī)組上得到應(yīng)用，2009年9月通過第三方的催化劑性能驗(yàn)收試驗(yàn)。本文針對(duì)國(guó)電長(zhǎng)源荊州熱電廠脫硝工程的特點(diǎn)和脫硝要求，系統(tǒng)敘述了該公司催化劑的設(shè)計(jì)和選型過程，并介紹了催化劑的性能驗(yàn)收試驗(yàn)以及使用1年后催化劑的性能檢測(cè)結(jié)果。

1 國(guó)電長(zhǎng)源荊州電廠1號(hào)機(jī)組脫硝系統(tǒng)

國(guó)電長(zhǎng)源荊州電廠脫硝系統(tǒng)由北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司EPC總承包。脫硝系統(tǒng)布置在省煤器出口后，1臺(tái)鍋爐設(shè)置2個(gè)SCR反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器采用2+1布置方式，煙氣自上而下流經(jīng)脫硝反應(yīng)器。SCR反應(yīng)器入口的煙氣參數(shù)如表1所示。在SCR入口煙氣條件下，要求脫硝裝置在整個(gè)壽命期(24000h)內(nèi)NOx脫除率不小于50% ，氨的逃逸濃度小于等于2.28mg/m3，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%。

表1 SCR反應(yīng)器入口煙氣條件

從表1可以看出，1號(hào)機(jī)組SCR入口煙氣溫度為378℃，NOx入口濃度450mg/m3，屬于典型的SCR應(yīng)用情況。但該項(xiàng)目入口煙塵濃度較高(燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)煙塵濃度為37g/m3，燃用校核煤種1時(shí)煙塵濃度高達(dá)51g/m3)，屬于典型的高含塵煙氣條件。另外，根據(jù)電廠提供的煙塵成分分析(如表2所示)，煙塵中SiO2/Al2O3比例較高(大于2)，粉塵硬度較大。這樣的煙氣條件對(duì)催化劑的磨損強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度提出了較高的要求。

表2 煙氣灰分分析 %

2 脫硝催化劑的設(shè)計(jì)和選型

催化劑是燃煤電廠SCR脫硝工藝的核心，催化劑設(shè)計(jì)和選型結(jié)果直接影響脫硝性能，為使燃煤電廠脫硝裝置穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)催化劑的要求主要有［2］:

(1)在一定溫度范圍內(nèi)具有較高的脫硝活性。1號(hào)機(jī)組SCR入口煙氣溫度為378℃，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，要求催化劑在320～420℃的溫度范圍都具有較高的脫硝效率。

(2)較低的SO2氧化率。1號(hào)機(jī)組煙氣中SO2濃度較高，脫硝催化劑在還原NOx的同時(shí)會(huì)將煙氣中一部分SO2氧化為SO3［3］，進(jìn)而生成硫酸銨和硫酸氫銨等，造成脫硝下游設(shè)備的腐蝕和堵塞。因此，在催化劑設(shè)計(jì)和選型中要嚴(yán)格控制SO2氧化率。

(3)對(duì)堿金屬、堿土金屬以及燃煤中的其他微量元素有較強(qiáng)的抗中毒能力。

(4)在使用過程中不能造成催化劑的堵灰，煙氣通過催化劑層時(shí)的壓力損失要盡可能小。

根據(jù)1號(hào)機(jī)組煙氣高含塵的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇了截距較大的18孔催化劑蜂窩式催化劑，這樣可以降低催化劑在使用過程中堵灰的風(fēng)險(xiǎn)，催化劑主要活性成分為TiO2－WO3－V2O5，采用整體式擠出成型工藝，經(jīng)高溫?zé)坪蟮玫?+1層布置。另外，對(duì)催化劑的前端迎風(fēng)面進(jìn)行了20mm的端部硬化，這樣可以降低在使用過程中硬度較高的煙塵對(duì)催化劑的磨損，提高了催化劑的使用壽命，降低了工程造價(jià)。催化劑主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 SCR催化劑設(shè)計(jì)參數(shù)

3 催化劑性能驗(yàn)收

2009年11月26日，南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗(yàn)完成長(zhǎng)源荊州電廠SCR脫硝裝置性能測(cè)試。結(jié)果表明，1號(hào)機(jī)組煙氣脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度為223.8mg/m3，脫硝效率為 51.8%，滿足設(shè)計(jì)要求。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)出口氨逃逸濃度0.061mg/m3，SO2/SO3轉(zhuǎn)化率為0.88%，符合要求。測(cè)試結(jié)果表明，國(guó)電長(zhǎng)源荊州熱電有限公司1號(hào)機(jī)組煙氣脫硝裝置性能指標(biāo)均符合性能保證值的要求。

4 催化劑運(yùn)行1年后性能測(cè)試

長(zhǎng)源荊州電廠安裝的SCR催化劑運(yùn)行1年后，在停爐期間進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)地檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的催化劑堵灰及磨損等情況。另外，檢查人員提取了測(cè)試模塊送回催化劑生產(chǎn)廠家進(jìn)行性能檢測(cè)，并與使用之前的新鮮樣品進(jìn)行了對(duì)比，主要測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 新舊催化劑性能測(cè)試對(duì)比

從表4中可以看出，在實(shí)驗(yàn)室模擬煙氣的條件下，測(cè)得催化劑失活系數(shù)為0.93，催化活性有一定程度降低，但屬于正常使用中的失活，不存在非正常失活;催化劑的比表面積下降15%左右，催化劑的大孔有一定的燒結(jié)現(xiàn)象和堵塞現(xiàn)象，總孔體積有一定的下降，說明催化劑的內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到一定破壞，催化劑有一定的燒結(jié)現(xiàn)象。另外，我們還對(duì)使用后的催化劑進(jìn)行了X射線衍射(XRD)試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)催化劑晶粒尺寸略有增大，但催化劑未發(fā)生銳鈦礦向金紅石的晶型轉(zhuǎn)變。對(duì)催化劑中雜質(zhì)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用后的催化劑中K、Na、Fe等雜質(zhì)有明顯的增多現(xiàn)象，表明催化劑受到一定程度的堿金屬中毒作用［4］。

根據(jù)本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，送檢樣品催化劑在微觀結(jié)構(gòu)，如比表面積、孔結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)等，均存在不同程度的劣化;催化劑表面存在一定的K和Na等金屬離子的累積，堿金屬對(duì)催化劑有一定的毒害作用，但檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯的異常情況，可以認(rèn)為屬于正常的催化劑使用過程中的老化現(xiàn)象。

5 結(jié)語

火電廠煙氣脫硝將會(huì)成為國(guó)家“十二五”規(guī)劃中控制大氣污染的重要措施之一，作為SCR法煙氣脫硝核心環(huán)節(jié)的催化劑將會(huì)有較大的市場(chǎng)，催化劑的國(guó)產(chǎn)化是大勢(shì)所趨。根據(jù)國(guó)電長(zhǎng)源荊州熱點(diǎn)廠煙氣脫硝高飛灰的特點(diǎn)，該催化劑生產(chǎn)廠家選取了18孔蜂窩式催化劑，并對(duì)催化劑的迎風(fēng)端進(jìn)行了前端硬化，確保了催化劑在高飛灰的工況下不被堵塞和磨損。催化劑性能經(jīng)第三方南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗(yàn)中心檢測(cè)，所有性能指標(biāo)均滿足技術(shù)協(xié)議中保證值的要求。催化劑在長(zhǎng)源荊州電廠使用1年后檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)明顯的催化劑堵灰和磨損，催化劑失活有一定降低，屬于正常使用中的失活，催化劑的微觀結(jié)構(gòu)存在一定程度的劣化，催化劑表面有一定的堿金屬和硫酸根的積累，但檢測(cè)并未發(fā)現(xiàn)異常情況，表明該催化劑完全可以滿足長(zhǎng)源荊州電廠的性能要求，說明國(guó)產(chǎn)脫硝催化劑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及運(yùn)行等技術(shù)能力已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

［1］段 寧，柴發(fā)合，陳義珍，等.《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》與火電廠大氣污染控制［J］.中國(guó)能源，2004，26(12):20 －24.

［2］王 琦，王樹榮，閆志勇，等.燃煤電廠SCR脫硝技術(shù)催化劑的特性及進(jìn)展［J］.電站系統(tǒng)工程，2005，21(3):4 －6.

［3］Forzatti P，Nova I，Beretta A.Catalytic properties in deNOxand SO2－ SO3reactions［J］.Catalysis Today，2000，(56):431 －441.

［4］沈伯雄，施建偉，楊婷婷，等.選擇性催化還原脫氮催化劑的再生及其應(yīng)用評(píng)述［J］.化工進(jìn)展，2008，27(1):64－67.