SCR系统中板式和蜂巢式催化剂的选取

SCR 系统中板式和蜂巢式催化剂的选取
Selection of catalyst in SCR
苏航
(广东省电力设计研究院,广东广州510600)
摘要:选择性催化氧化还原法(SCR )是当今国际上最为成熟、有效的烟气脱硝技术。

催化剂作为SCR 工艺流程中最重要的设备部件,对SCR 工艺的效率起着决定性的作用。

分析了2种脱硝催化剂的物理、化学特性,以及它的优缺点,为催化剂的选取提供参考。

关键词:SCR ;板式;蜂巢式;催化剂
Abstract :The mo st widely used control way of NO x emission is SCR (selective Catalyst Reduction ).There are two main type s of catalyst ———plate type and honeycomb type.Their physical and chemical characteristics are compared.K ey words :SCR ;catalyst
中图分类号:X 701.1 文献标识码:B 文章编号:1009-4032(2005)02-0027-03
随着我国经济的快速发展及环保意识的增强,对火电厂的环保要求越来越高。

《火电厂大气污染
物排放标准》(G B 13223-2003)
对NO x 的排放浓度做出了明确的要求,规定第三时段的燃煤电厂燃料
挥发分大于10%时,NO x 的排放质量浓度不得大于450mg/m 3,并且要求“第三时段大气污染控制单元
必须预留脱氮装置空间”。

仅采用低氮燃烧器,NO x 排放浓度的绝对值仍然较高,所以,选择性触媒还原法作为当今最成熟的烟气脱氮技术,继国内漳州后石电厂采用之后,将会得到更为广泛的应用。

1　SCR 的工艺流程及工作原理
SCR 脱氮法工艺流程见图1。

图1　SCR 工艺流程图
贮存的液氨或氨水经蒸发槽蒸发为氨气后,通过氨缓冲槽和输送管道进入锅炉区,与空气均匀混
合后由分布导阀进入SCR 反应器。

SCR 反应器置于空气预热器前(高灰分布置方式)或除尘器后(低灰分布置方式)。

烟气进入SCR 反应器,在通过催化剂形成的狭长通道内,在催化剂的作用下进行以下反应:
4NO +4NH 3+O
2—4N 2+6H 2O 6NO 2+8NH 3—7N 2+12H 2O NO +NO 2+2NH 3—2N 2+3H 2O
2　催化剂活性及种类
在SCR 系统中,催化剂的作用是举足轻重的,技术含量也是最高的。

世界上可以制作SCR 系统
的工程公司很多,但催化剂供应商却屈指可数。

图2　V 2O 5催化剂反应活性
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2.1　催化剂活性
催化剂的主要有效成分是V 2O 5,此外还有少量的W O 3,它们可以促使NO 被还原成N 2。

一般认为,催化剂的活性取决于反应温度和V 2O 5含量,其关系见图2。

在温度为300～340℃时,V 2O 5的活性最高;V 2O 5含量越高,其活性越高。

因此,SCR 一般置于空预器与省煤器之间。

温度过低(低于230℃
),烟气中的S O 3会与氨结合生成硫酸氢铵,而硫酸氢铵是一种粘性极大的物质,会附着在催化剂上,吸附飞灰,阻止催化剂与烟气接触,使得催化剂失效;温度
过高(420～450℃),导致催化剂“烧结”而失效。

虽
然V 2O 5含量越高,催化剂活性也越高,但是V 2O 5对S O 2氧化成S O 3也有一定的催化作用。

所以,催化
剂中的活性成分有着严格限制,一般来说,烟气经过SCR 之后,S O 3的含量最多只允许增加1%。

如果燃料硫分很低,如燃用天然气,LNG 等时,可选用活性成分较高的催化剂,这样可降低催化剂的用量。

2.2　催化剂种类
市场上主要的催化剂类型可分为平板式和蜂巢式两种,其外形见图3。

a -蜂巢式催化剂;
b -板式催化剂
图3　两种型式催化剂的外形图
平板式催化剂是将活性材料“镀”在金属骨架上,板与板之间的孔隙较大,阻力较小,但是单位体积的接触表面积小,需要的催化剂量大。

由于板式催化剂具有金属骨架,强度较高,长度可以做到1500mm ,要达到同样的脱氮效率,催化剂的层数可以
做得较少,这样,SCR 反应器可以做得更加紧凑,更加节省空间。

一般的蜂巢式催化剂截面积为150mm ×150mm 。

由于单位体积的有效面积大,要达到相同的脱
氮效果,所需的催化剂量较平板式少。

但由于蜂窝式催化剂为整体的载体T iO 2,受整体强度的限制,一般蜂窝式催化剂的长度最多只能做到1000mm 。

3　两种催化剂的优缺点
平板式催化剂最大的优点是不容易堵灰。

由于SCR 一般安装在空预器之前,其飞灰质量浓度高达15～20g/m 3(本文烟气量均指标准状态值),如果催
化剂间隙过小,就会造成飞灰堵塞、磨损加重,系统阻力增大。

一般来说,在催化剂间隙内,烟气速度并不均匀,平均速度约为8m/s 。

在速度低于3m/s 的区域,飞灰就有可能附着在催化剂上,阻止催化剂与烟气接触。

根据BHK 的一项研究表明,平板式催化剂区域中流速低于3m/s 的约占13%,而蜂巢式催化剂区域流速低于3m/s 的约占22%,所以,蜂巢式堵灰情况要比平板式严重,解决的办法是加大催化剂单元格长度。

在燃煤机组上,蜂巢式催化剂的单元格长度一般应在6mm 以上,其长度越大,催化剂比
表面积越小(详见表1),需要的催化剂量就越多。

燃煤机组若使用蜂巢式催化剂,用量可比平板式节省20%左右,但其单价又比平板式高约20%,两者的总体价格差不多。

但是,在燃气、燃油机组中,因
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飞灰含量极低,可减小蜂巢式催化剂单元格长度以增大比表面积,节省催化剂用量。

此外,燃气机组快速启停性能好,升温快,“镀”在金属骨架上的板式催化剂中活性物质由于热应力的影响,易导致变形而剥落失效。

所以,在燃气机组中,广泛采用蜂巢式催化剂。

表1　西门子/亚吉龙公司蜂巢式催化剂型号(部分)
蜂巢式
催化剂型号
单位面积×单元数间隙/mm比表面积(m2∶m3)适应燃料SW2222×22 6.7486.2煤(高飞灰) SW2323×23 6.4531.4煤(高飞灰) SW3030×30 4.9693.0石油,重油SW3535×35 4.2808.0石油,重油,煤(低飞灰) SW4040×40 3.7924.0煤(低飞灰) SW5555×55 2.71275.0燃气柴油机
为了避免蜂巢式催化剂被飞灰堵死,一般需要设置吹灰器。

吹灰器的形式有超声波,压缩空气,蒸汽式等。

三菱公司采取加大间隙的方式,较好地解决了堵塞问题。

其他公司的做法均是板式催化剂不需要设置吹灰器,蜂巢式则需要设置吹灰器,也有公司为保险起见,所有的SCR装置均设置了吹灰装置。

此外,SCR的集灰与结焦与煤/灰的成分有很大关系。

是否需要设置吹灰装置,催化剂的间隙如何选取,需要综合考虑多种因素。

由于蜂巢式催化剂间隙较小,流动阻力大,要求的烟气流速较平板式低,导致反应器截面积增大,表2是对1台600MW(设1个反应器)燃煤机组采用两种不同型式催化剂得出的反应器容积尺寸。

表2　采用不同催化剂的反应器尺寸
项　目平板式蜂巢式
流速/m・s-164～5
截面积/m211.1×23.712.1×26.6
高度/m11.913.5
体积/m331304245
4　催化剂失效与处理
导致催化剂失效的主要原因是:堵塞,高温烧结,中毒。

在正常运行情况下,催化剂中毒是主要失效原因。

所谓的催化剂中毒是由飞灰中的重金属成分导致,其中又以砷影响最大。

如果煤中砷的质量分数超过3×10-6,催化剂寿命将降低30%左右。

为了维持必须的脱氮效率,一般在SCR投运5a 后(视脱氮率下降情况而定),在反应器内预留的位置上增加1层催化剂,运行10a,需要更换第1层催化剂。

除此之外,每隔2a,需要对SCR系统进行大修,对已经堵塞的催化剂用高压水疏通(先将催化剂吊出SCR反应器),对部分已经烧结失效的催化剂进行更换。

被更换下来的催化剂,可抛弃或再生。

由于催化剂的价格非常昂贵,加之其含有V2O5,W O3等重金属,被更换下来的催化剂需要进行专门的无害化处理。

根据国外的经验,废弃催化剂的处理费用高达500欧元/m3。

再生是将催化剂送回原厂,经过冲洗、化学药剂浸泡、重新加入活性物质等处理过程后,将其催化效率回复到出厂之初。

催化剂再生所需的费用为购买全新催化剂费用的1/2,虽然耗资较大,但还是较重新购买便宜,并且可以省下处理废弃催化剂的费用。

5　结语
在SCR反应器内,催化剂的成分,结构,层数,以及反应器内流场分布均直接决定了脱除NO x的效率及整个SCR系统大小,压降,氨安全反应率等。

所以,通行的做法是SCR重要性能参数保证由催化剂供应商提供,而不是由SCR供应商提供,当然也有部分工程公司(总包商)要求催化剂厂家(分包商)对其提供保证值。

由此可见,催化剂的性能在整个SCR系统中的地位是非常重要的。

平板式和蜂巢式催化剂均是非常成熟的产品,但选择何种催化剂,则需要根据烟气参数、煤/灰的性质、机组的参数等作整体把握后才能确定。

参考文献:
[1]黄涛1预留烟气脱氮空间应注意的问题[J]1电力环境保护,2004
(3):31-331
收稿日期:2004211218;修回日期:2005205212
作者简介:苏航(1977-),男,山西临汾人,助理工程师,毕业于华北电力大学环境工程专业,主要从事电力烟气脱硫、脱氮等设计研究工作。

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2005年 苏航:SCR系统中板式和蜂巢式催化剂的选取 第2期。