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摘要：为拓宽SCR催化剂的工作温度，研究宽温度窗口SCR催化剂在实际烟气条件中的应用对燃煤机组适应负荷波动、实现氮氧化物的超低排放具有重要意义。通过5×104m3/h的燃煤烟气污染物脱除试验平台，研究了Zn-W/TiO2宽温度窗口SCR催化剂在不同温度窗口下的脱硝性能、氨逃率及连续运行300h后催化剂效率及阻力的变化。结果表明:该催化剂在275～320℃性能稳定，当催化剂层温度为275℃、入口ρ(NOx)为115.00～130.00mg/m3时，可保证NOx出口浓度<20mg/m3。NH3逃逸在低温窗口运行时略高于常规温度窗口，但仍<2.50mg/m3。综合各项指标分析，建议该催化剂运行效率<91.0%。
关键词：燃煤烟气;氮氧化物;选择性催化还原技术;宽温度窗口SCR催化剂;NH3逃逸
引言
选择性催化还原(SCR)技术是燃煤电站应用最广的脱硝技术，其核心是催化剂，催化剂的费用占脱硝总费用的30%～60%。现阶段，工业化主要是以V2O5为活性成分、W和Mo为助剂的SCR催化剂，该催化剂工艺上多布置在燃煤锅炉省煤器之后、空气预热器之前，具有很高的脱硝活性。但是，目前燃煤发电机组长期处于低负荷运行，SCR系统中烟气温度较低，导致催化剂的活性受到较大影响，严重时脱硝系统需要退出。因此，向低温方向拓宽催化剂的工作温度窗口成为烟气脱硝领域研究的热点。
宽温度窗口SCR催化剂的研究多集中在理论基础研究上，Mn、Fe、Cu、Ce、Zn等元素的氧化物作为活性物质，表现出良好的低温脱硝活性。CeO2因具有较好的储氧能力及氧化还原能力，有利于NO和NH3在催化剂表面的吸附反应;GaoXiang等研究了Ce-Cu/TiO2复合氧化物催化剂，当氮氧化物入口浓度为1300mg/m3时，该催化剂的脱硝效率在250～350℃温度窗口内可达到90%以上。Mn系催化剂低温活性较好，但其温度窗口一般较窄，抗SO2/H2O性能也较差;曹蕃等通过添加其他活性物质来改善Mn系催化剂的性能，研究成果显示，Mn-Ce-Zr/γ-Al2O3催化剂在250～300℃下的脱硝效率可以达到95%，并且具有较好的空速变化适应能力和抗SO2/H2O中毒性能。过渡金属元素在NH3-SCR中的研究也较多，SherAli发现在n(Cu)∶n(Ce)∶n(Zr)为2∶3∶5时，催化剂具有较高的脱硝效率;YuanEnHui等发现Zn/ZSM-5催化剂在较宽的温度范围内表现出很好的脱硝活性。沈伯雄等发现Fe和Cu等过度金属氧化物的添加有助于提高MnOx-CeOx/ACF低温催化剂的抗硫性能。此外，制备方法也是影响催化剂脱硝活性的重要因素之一，单步溶胶-凝胶法制备的CeO2/Al2O3、CeO2/TiO2和MNOx/TiO2催化剂比浸渍法和共沉淀法制备的表现出更好的脱硝性能。但是，前人对宽温度窗口SCR催化剂的研究多停留于基础研究，缺少应用实践，实际燃煤锅炉因煤质不同、燃烧状况多变、烟气成分复杂，对催化剂性能的影响较大。因此，研究宽温度窗口SCR催化剂在实际烟气条件中的应用对燃煤机组适应负荷波动、实现氮氧化物超低排放具有重要意义。
本文通过5×104m3/h(350℃，101.325kPa大气压)的燃煤烟气污染物脱除试验平台，研究Zn-W/TiO2宽温度窗口SCR催化剂在不同温度窗口下的脱硝性能、氨逃逸率及连续运行300h后催化剂效率及阻力的变化，为宽温度窗口SCR催化剂在负荷波动较大的燃煤机组烟气脱硝中的应用提供参考。
1试验方法
1.1试验系统及方法
本文试验平台建于国华电力公司三河电厂，烟气从该电厂3号机组(300MW亚临界燃煤供热机组)省煤器后引出，依次经过SCR脱硝系统、吸附喷射脱汞系统、低低温静电除尘器、高效脱硫系统及湿式机电耦合除尘器后回到3号机组脱硫吸收塔入口，系统满负荷时烟气量为5×104m3/h(350℃，101.325kPa大气压条件)。催化剂设计共3层，上2层为宽温度窗口SCR催化剂，第3层为协同汞氧化SCR催化剂，本次试验投入第1层和第2层。氨气稀释比例<5%。为研究催化剂在不同温度下的脱硝性能，SCR系统前设计安装了烟气换热器，可调节SCR入口烟气温度。SCR系统如图1所示，系统设计参数如表1所示。
图1宽温度窗口SCR催化剂试验系统
表1SCR系统设计参数
根据HJ/T76—2007《固定污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》(附录D)、GB/T16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》，采用德国MRUMGA5移动式红外烟气分析仪、LaserGasⅡSP红外激光气体分析仪分别对SCR反应器进出口氮氧化物浓度和出口NH3浓度进行测试，系统压降由压力变送器测得。
1.2煤质分析
机组燃烧煤种为神华煤，为保证试验结果有意义，要求试验期间煤质稳定。对试验期间机组入炉煤质进行分析，结果如表2所示。
表2入炉煤煤质分析
2结果与讨论
2.1氨氮比对催化剂活性的影响
选择性催化还原技术中常以NH3、液氨和尿素等作为还原剂，在催化剂作用下与烟气中NOx反应，生成N2和H2O，实现燃煤烟气中氮氧化物的脱除。以NH3为还原剂，NH3与NOx反应，n(NH3)∶n(NOx)为1∶1，喷氨量越接近该比例，混合越充分，NOx被脱除的效率也越高。氨氮含量对Zn-W/TiO2催化剂活性的影响如图2所示。试验系统条件为100%负荷烟气量，催化剂层烟气温度为320℃，入口烟气中NOx浓度为72.60～302.40mg/m3。
图2氨氮含量对Zn-W/TiO2催化剂活性的影响
由图2可知:脱硝效率随n(NH3)/n(NOx)的增加而增加，n(NH3)/n(NOx)为0.66时，实测脱硝效率为67.4%，n(NH3)/n(NOx)为0.92时，实测脱硝效率为90.7%，与理论脱硝效率基本一致，表明喷氨量在该区间内时喷入的氨气几乎全部和NOx发生反应。当n(NH3)/n(NOx)增加至0.95时，实测脱硝效率随之上升至92.5%，略低于理论脱硝效率，因为当n(NH3)/n(NOx)比增加到一定程度时，NH3与NOx的反应受反应速率的限制，部分氨气来不及参与SCR反应，导致实际脱硝效率低于理论值，出现部分NH3逃逸的现象，并且逃逸量会随着n(NH3)/n(NOx)的增加逐渐上升。逃逸的NH3与烟气中少量的SO3和水蒸气反应，生成硫酸铵和硫酸氢铵，堵塞催化剂孔道、腐蚀SCR下游设备，严重危害锅炉的安全运行。本文研究的宽温度窗口SCR催化剂催化作用明显、具有较高的效率，在保证氮氧化物排放指标的条件下，为了避免过量的氨逃逸，应尽量控制n(NH3)/n(NOx)不超过0.92。
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