火电厂SCR烟气脱硝催化剂特性及其应用

3.1催化剂孔径

对一定的反应器截面,在相同节距下,板式催化剂的通流面积在85%以上,蜂窝式催化剂的流通面积一般在80%左右。在实际应用中,选用大节距的蜂窝式催化剂,其防堵效果可接近板式催化剂。美国巴威公司的经验表明,一般情况下,烟气灰分在20～25g/m3时,板式催化剂孔径不宜小于5mm,蜂窝式催化剂的孔径不宜小于6mm。当烟气灰分在30g/m3及以上时,应选用更大节距的催化剂。

3.2计算机模拟(CFD)和物理模型试验

板式催化剂流通面积大,不易堵灰;蜂窝式催化剂流通面积一般,但每个催化剂壁面夹角都是90°,不易积灰,即便积灰也较易清除。有关研究表明,磨损主要发生在催化剂迎灰面的端部,其磨损程度与SCR反应器入口烟气速度分布的均匀性、灰成分和颗粒大小及形状有关。可以根据CFD流场和物理模型试验结果,调控第一层催化剂上游的烟气入射角,降低催化剂的磨损。

3.3提高催化剂的抗磨损能力

为了提高催化剂的抗磨损能力,应使用均质催化剂结构,不能使用表面涂层的催化剂结构。目前,在催化剂制造上有两种思路:

(1)顶端硬化。增加蜂窝式催化剂端部的硬度,以抵御迎灰面的磨损。对于平板式催化剂,因其支撑架为金属网,端部被磨损后,其金属基材暴露在迎风面,可阻止烟气的进一步磨损,一般认为板式催化剂的抗磨损性能较好。

(2)增厚。增加整体催化剂的壁厚,提高磨损腐蚀裕量,以延长催化剂的机械寿命。此举还有利于催化剂的清洗和再生。在工程应用中,为延长催化剂的使用寿命,除了增加催化剂的厚度外,还应尽可能地除去烟气中磨损性较强的大颗粒飞灰,这是减缓催化剂磨损的根本途径。

3.4煤中CaO对催化剂的影响

对于SCR脱硝系统,如果燃煤中CaO过高,催化剂活性将被削弱。飞灰中的CaO与SO3反应,在催化剂表面形成一层CaSO4膜,从而影响NOx与NH3的脱硝反应。相对于板式催化剂来讲,蜂窝式催化剂受CaO的影响较小,抗CaO中毒能力更强。

3.5再生和清洗

对催化剂进行清洗和再生,能够延长催化剂的整体寿命。催化剂再生的成本约为新催化剂价格的40%,化学寿命可达到新催化剂的80%。

由于蜂窝式催化剂是均质的,当其内壁厚合适(0.8～1.1mm),到达化学寿命时,仍具有一定的活性,而且物理形状基本完整,有利于清洗和再生。

而当催化剂内壁过薄时(如0.5mm),即使催化剂单元顶部经过煅烧硬化,其内部孔通道仍然容易破裂、折断。在此情况下,虽然催化剂仍具有残留活性,但由于物理形状不完整,不利于再生或清洗。

板式催化剂由于其催化活性层较薄,尤其在支撑架金属暴露后,更不利于清洗和再生。

3.6催化剂的层高

一般来说,每层催化剂的高度选择首先应满足烟气流场设计要求,方便催化剂的检修、维护。每层催化剂的高度为催化剂模块高度、横梁高度、单轨高度、提升起吊挂钩(含葫芦等)、催化剂模块专用提升设备(翻转装置)和空间裕量之和。

对催化剂层高的设计,欧美与日本的层高设计理念不同,欧美的典型设计标准为:催化剂模块高度最大约1600mm,横梁高度700mm,单轨高度约300mm,提升起吊挂钩约600mm,催化剂模块专用提升设备约250mm,空间裕量250mm。

对于反应器内部梁结构,欧美多采用方形梁,这种设计可有效避免烟气扰流和飞灰堆积;而日本则采用工字钢梁,梁高约为400mm。若采用工字钢梁,催化剂层高可降低300mm左右。

4结语

(1)通过对3种形式催化剂性能参数的比较以及综合分析发现,蜂窝式催化剂在国内外应用较广泛,综合性能较优。

(2)为提高蜂窝式催化剂的抗磨损和防堵性能,延长催化剂寿命,并为清洗、再生和循环使用提供有利条件,推荐采用“厚壁”蜂窝式催化剂。建议在低灰(烟尘低于25g/m3)烟气条件下,采用节距不小于7.5mm、壁厚不小于0.9mm的催化剂;中灰(烟尘质量浓度25～40g/m3)条件下采用节距不小于8.3mm、壁厚不小于1mm的催化剂;在高灰(烟尘质量浓度40～55g/m3)条件下采用节距不小于10mm、壁厚不小于1.2mm的催化剂。

(3)为利于每层催化剂前的烟气流场分布,减少氨的逃逸,并便于反应器内催化剂的检修维护,推荐在采用工字钢梁的情况下,催化剂最小层高应按1700mm+模块高度来设计,在采用方形钢梁的情况下,催化剂层高按2000mm+模块高度来设计。

《电力科技与环保》作者：王义兵，孙叶柱，陈丰，林勇，梁学东

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