影响蜂窝式烟气脱硝催化剂设计选型的因素

李新燕，孟凡强

(华电青岛环保技术有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

大气中的NOx是导致酸雨、光化学烟雾等严重环境问题的主要原因之一。2014年9月国家发改委、环境保护部、国家能源局联合下发了《关于印发煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020)的通知》(发改能源[2014]2093号)，对煤电机组排放的NOx含量提出了新的要求。东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值-NOx排放量不高于50 mg/m3(标态、干基、6% O2)，中部地区新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值。随着国家对NOx排放标准的提高，新一批燃煤机组脱硝改造项目陆续开展。目前，应用最广、最为有效的烟气脱硝技术是氨气选择性催化还原NO(NH3-SCR) 技术。该技术的核心部分是脱硝催化剂，催化剂的设计和选型直接影响脱硝系统性能。因此，本文对影响蜂窝式烟气脱硝催化剂设计选型的因素进行了论述和总结，为脱硝催化剂的设计选型以及后续催化剂的运行维护提供指导。

1 影响蜂窝式催化剂节距选择的因素

影响蜂窝式催化剂节距选择的主要因素是烟气中灰含量及灰特性，灰含量对孔数选取的影响见表1。对于增加备用层的项目除考虑灰含量外，还应遵循以下原则：尽量与原催化剂孔数保持一致；节距选择时考虑灰特性、磨损、流速、流场等实际情况。灰颗粒较大、黏度较高、流速较大时应选取节距稍大的催化剂。

表1 灰含量对孔数选取的影响

2 影响催化剂活性衰减系数β的因素

催化剂的活性衰减系数β用于衡量催化剂在运行过程中的活性衰减速率，β越大催化剂衰减速率越小，催化剂失活越慢，设计时所需要的催化剂体积量越少。β越小催化剂衰减速率越大，催化剂失活越快，所需催化剂体积量越大。燃烧煤的成分、产品规格、产品长度、脱硝装置可用率以及催化剂迎风面流速(Ugs)等因素对β的取值都有影响。其中，燃煤成分对β的影响最大，具体包含煤中As含量、灰中CaO含量、收到基全硫含量、煤低位发热量、含灰量等几方面。在此以某设计化学寿命24 000 h的600 MW燃煤机组为例，对以上影响因素分别进行讨论。

2.1 煤中As含量影响

煤中As含量对活性衰减系数β和催化剂体积量的影响曲线如图1所示。煤中的As含量对β的影响呈线性关系，随着煤中As含量的增加，β值变小，所需催化剂的体积量增加。这是由于当煤燃烧时，煤中的As元素会转移到烟气中，当燃烧温度高于1 400 ℃，砷元素(As)会被氧化成气态的As2O3。一方面As2O3在催化剂表面发生凝结堵塞催化剂表面微孔，另一方面气态As2O3很容易同催化剂中的活性成分V2O5发生反应，在催化剂表面形成As2O5， 导致催化剂活性组分流失[1-2]， 失活机理如图2所示。

图1 煤中As含量对β和催化剂体积量影响

图2 As导致催化剂失活机理

2.2 灰中CaO含量影响

灰中CaO含量对活性衰减系数β和催化剂体积量的影响曲线如图3所示。随着煤中CaO含量的增加β先增加后降低，当CaO含量为1%左右时最有利于催化剂活性保持，这是因为少量的氧化钙可与煤中的砷发生反应，有利于催化剂活性的保持。过多的氧化钙导致催化剂失活的原因为：钙离子及其化合物(CaSO4、CaCO3等)一方面通过在催化剂表面沉积堵塞催化剂孔使催化剂活性降低，另一方面Ca2+可以中和催化剂表面酸性位(活性位)，导致催化剂活性减少，导致催化剂失活[3-5]。

图3 灰中CaO含量对β和催化剂体积量影响

2.3 煤的收到基中全硫含量的影响

收到基全硫含量对活性衰减系数β和催化剂体积量的影响曲线如图4所示。煤中的硫含量对β的影响呈线性关系，随着煤中硫含量的增加，β值变小，所需催化剂的体积量增加。这是由于当煤燃烧时，煤中的硫转变成烟气中的SO2、SO3，它们与喷入的NH3反应，生成硫酸氢铵和硫酸铵，硫酸氢铵具有黏性会堵塞催化剂微孔和孔道造成催化剂失活[6]。

图4 全硫含量对β和催化剂体积量影响

2.4 煤低位发热量的影响

单位质量的燃料在完全燃烧时所发出的热量称为燃料的发热量，高位发热量是指1 kg燃料完全燃烧时放出的全部热量，包括烟气中水蒸气已凝结成水所放出的气化潜热。从燃料的高位发热量中扣除烟气中水蒸气的气化潜热时，称为燃料的低位发热量。由于低位发热量最接近工业锅炉燃烧时的实际发热量，所以被用于催化剂设计选型的设计计算。低位发热量越高说明煤中可燃烧的成分越多，灰分越少，煤质越好。 煤低位发热量对β和催化剂体积量影响关系曲线如图5所示。煤低位发热量越高，β值越大，所需催化剂体积量越小。

图5 煤低位发热量对β和催化剂体积量影响

2.5 烟气中灰含量的影响

烟气中灰含量(标态)对衰减系数β和催化剂体积的影响关系曲线如图6所示。在30～45 g/m3的含灰量范围内，随着灰含量的增加β值略有降低，所需催化剂体积(18孔)略有升高，但影响作用不如以上几个因素明显。这是由于烟气中的灰一方面可导致催化剂磨损，另一方面造成催化剂孔道堵塞，但根据灰含量选取合适节距的催化剂，定期用声波或蒸汽吹灰器对灰进行清除，可有效防止由于灰引起的催化剂失活。

图6 烟气中灰含量对β和催化剂体积量影响

综上所述，煤对SCR催化剂的失活有很大的影响。由于我国能源政策影响，我国电厂所用燃煤质量通常较低，其中灰分和水分通常较高。此外，不同地区的煤的差异也很大，电厂用煤经常发生变化。因此，只有更好地了解了我国电厂燃煤特点后，才可以提高我国燃煤SCR催化剂的适用性。

3 影响催化剂体积量的因素

设计选型过程中影响催化剂体积量的因素主要有：活性衰减系数β、烟气量、烟气成分(H2O含量、O2含量)、烟气温度、脱硝性能要求(脱硝效率、SO2氧化率、NH3逃逸)。

3.1 活性衰减系数β对体积量影响

由上文可知，活性衰减系数β主要受电厂燃煤条件影响，β越大越有利于催化剂活性的保持，在其他条件相同的情况下，所需要的催化剂体积量越小。β对催化剂体积量的影响关系曲线如图7所示。β对体积量的影响成函数关系V=aβb(V代表催化剂体积、β代表衰减系数、a、b代表常数，)a、b受其他计因素的影响，随项目的不同而不同。

图7 β对催化剂体积量的影响

3.2 烟气中O2含量对体积量的影响

在其他设计条件相同的前提下，烟气中O2含量对催化剂体积的影响关系曲线如图8所示，烟气中的O2含量越多，所需要的催化剂体积越小。这是由于烟气中的NOx成分主要是NO，NO含量占NOx总量的90%以上。脱硝反应过程中发生的主要化学反应如下：

(1)

(2)

(3)

反应(1)是SCR工艺中最主要的反应，因为NOx中NO含量超过90%，所以反应(2)和(3)在实际过程中基本不发生。而反应(1)需要O2参与，因此，O2含量越多，越有利于反应(1)的进行，所需要的催化剂量越小。

图8 烟气中O2含量对催化剂体积量的影响

3.3 烟气中H2O含量对体积量的影响

在其他设计条件相同的前提下，烟气中H2O含量对催化剂体积的影响关系曲线如图9所示，烟气中的H2O含量越多，所需要的催化剂体积越大，H2O的存在不利于催化剂的运行。这是由于SCR反应起始于NH3在催化剂上的吸附，H2O对催化剂的毒化作用主要是由于H2O与NH3的竞争吸附[7]。因此，H2O含量越大，越不利于脱硝反应的进行，所需要的催化剂体积量越大。

图9 烟气中H2O含量对催化剂体积量的影响

3.4 设计温度对体积量的影响

在其他设计条件相同的前提下烟气中设计温度对催化剂体积的影响关系曲线如图10所示，当温度低于390 ℃时，催化剂体积量随温度变化较小。当温度超过390 ℃时，随温度的升高催化剂体积量迅速增大。一方面，这是由于当温度高于390 ℃时，随温度的升高，SO2氧化率迅速增大。而SO2氧化率的控制是通过调节催化剂中活性组分V2O5含量实现的。V2O5含量越大，氧化率越高。为了控制SO2氧化率≤1%，必须降低催化剂内V2O5含量，进而导致单位体积的催化剂活性的降低。为保证脱硝效率，必须增加催化剂的体积。另一方面，高温下容易导致催化剂的烧结失活。因此，为保证化学寿命期内的催化剂活性，需增加催化剂的初始安装体积。

图10 设计温度对催化剂体积量的影响

3.5 烟气量对体积量的影响

在其他设计条件相同的前提下，烟气量对催化剂体积的影响关系曲线如图11所示，催化剂体积量与烟气量成正比例线性关系，烟气量越大，所需要的催化剂量越大。这是因为NOx浓度一定烟气量越大，NOx总量越大，需要脱除的NOx量越多，所以需要的催化剂量越大。

图11 烟气量对催化剂体积量的影响

3.6 脱硝效率对体积量的影响

在其他设计条件相同的前提下，脱硝效率对催化剂体积的影响关系曲线如图12所示，在脱硝效率<90%时，随着脱硝效率的增加，所需要的催化剂量也增加。当脱硝效率>90%后，随着脱硝效率增加，所需催化剂的量急剧大幅度增加。这是由于脱硝反应器中NH3∶NOx摩尔比、烟气流速、烟气温度等分布存在不均匀性，脱硝效率越高，要求不均匀性偏差越小，而在实际运行中这种不均匀性偏差是无法完全消除的。因此，只能通过增大加装催化剂的体积来保证催化剂的脱硝性能。

图12 脱硝效率对催化剂体积量的影响

3.7 SO2氧化率对体积量的影响

在其他设计条件相同的前提下，SO2氧化率对催化剂体积的影响关系曲线如图13所示。随着氧化率的增加，催化剂的体积量显著降低。这是由于SO2氧化率影响催化剂中活性物质V2O5含量，氧化率越大，V2O5含量越大，单位体积的催化剂具有的活性越多。而在脱硝效率要求相同的情况下，所需要的催化剂活性大小也相同。因此，单位体积催化剂的活性越多，所需要的催化剂总体积量越小。

图13 SO2氧化率对催化剂体积量的影响

4 结束语

本文对影响蜂窝式烟气脱硝催化剂设计选型的因素进行论述和总结。通过以上论述，可以得出以下结论。

(1)烟气中的灰含量及特性决定了催化剂节距(孔数)的选取。

(2)活性衰减系数β，影响催化剂体积。而β主要受煤质条件影响，煤中As含量越低、CaO含量越低(≮1%)、收到基全硫含量越低、煤低位发热量越高、灰含量越少，越有利于催化剂活性的保持，活性衰减系数β越大，在其他设计条件相同的情况下，所需催化剂的体积越小。

(3)烟气中的H2O含量和O2含量影响催化剂体积。H2O含量越小需要的催化剂体积越小，O2含量越大，所需催化剂体积越小。

(4)性能要求(脱硝效率、SO2氧化率、NH3逃逸)同样影响催化剂体积。在其他设

计条件相同的条件下，脱硝效率越低、SO2氧化率越高，所需催化剂体积越小。

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