脱硝催化剂的影响因素与选型

2.2薄壁型和标准型催化剂的选择

薄壁型催化剂由于壁厚要比标准型催化剂平均小25%以上，相同孔数时，其孔径要比标准型大5%左右，烟气及飞灰的通过性较好，几何比表面积大，所需工程用量较少。国际上某些知名的催化剂制造商比较推崇薄壁型催化剂，国内一些公司也倾向于选择薄壁型催化剂。但是否选用薄壁型催化剂，最重要的依据是飞灰硬度及组成。

当飞灰中SiO2与Al2O3的含量比在2:1左右时，飞灰硬度较大，对催化剂的冲击磨损较严重。如果选用薄壁型催化剂，可能会因磨损严重，发生局部断裂，甚至堵塞。催化剂内壁的磨失减薄是造成催化剂磨损强度下降的主要原因，内壁磨失量占催化剂总磨失量的60%左右。

我国大多数火电机组燃烧工况恶劣，催化剂的再生需求远远大于国外。选型时，不仅要考虑化学寿命期内充足的机械强度，还应考虑催化剂再生所必须的机械强度。在高飞灰条件下，催化剂采用端部硬化，薄壁型催化剂内部通道还存在磨损造成的断裂风险，当硬化部位后的内壁断裂后，就会发生催化剂顶端的塌陷并造成严重堵塞。

一般而言，内壁厚越小，机械破损的风险越高，此类风险并不因端部硬化而缓解。根据我公司的经验，当飞灰浓度超过30g/Nm3时，应选用标准型，壁厚大于1.0mm的催化剂，才能完全满足设计要求的化学寿命和机械寿命，且不会发生积灰堵塞及磨损断裂的危险。

2.3不同生产工艺催化剂的选择

高飞灰工况下，催化剂的端部和内壁磨损都会较严重，对于采用浸渍或表面涂覆工艺生产的催化剂，活性组分仅分布在表面，发生磨损后，活性组分丧失较多，活性下降会很快。因此，应尽可能选用活性组分内外完全均一的催化剂。

2.4催化剂孔内流速的选择

在超过40g/Nm3的高飞灰工程中，建议催化剂孔内流速可以设计得高一些，约7～8m/s较适宜，利用较高的孔内流速达到一部分吹灰效果。高钙煤燃烧后飞灰粒径更小，粘度更高，也更易产生催化剂积灰，在孔内流速的选取上更应慎重。

但是较高的孔内流速也会带来不利影响。在同样的催化剂用量下，孔内流速较高，意味着烟气和催化剂接触反应的时间较短，脱硝效率较低。或者说，达到同样的脱硝效率，当孔内流速较高时，需要的催化剂用量会相对增加。另外，较高的孔内流速也会造成催化剂磨损加剧，不利于机械强度的保持。

3高温工况

SCR催化剂适用的温度一般为320～420℃，但是即便在此温度范围内的高温段，仍然需要较多的催化剂用量才能达到基本的脱硝性能。

图1高温对催化剂设计影响

如图1曲线a所示，烟气温度在350℃以下时，催化剂的设计用量几乎不因温度发生变化，催化剂用量主要取决于SCR系统入口NOX浓度、烟气流量、要求的脱硝效率等参数。当烟气温度超过350℃时，随着温度的增加，催化剂设计用量随温度的变化呈线性递增，特别是温度超过400℃时，体积比350℃时增加了近15%。

高温是导致催化剂烧结的最大因素，而烧结会使催化剂的比表面积减少，从而使脱硝活性下降。如图1曲线b所示，随着温度的增加，催化剂的失活速度明显加快。催化剂主要成分中，V2O5的活性最高，但其抗高温烧结的能力最低。

WO3或MoO3活性相对较低，但是具有优异的抗中毒和抗烧结能力，所以优化配方时要减少V2O5的含量，增加WO3或MoO3的含量，能在一定程度上有效提高催化剂对高温的耐受性。但配方的改变，降低了催化剂的活性，要满足相同的性能要求，就要采用较多的体积。

另一方面，在高温中催化剂失活加快，还必须留有较充足的催化剂储备体积。这两个因素共同作用，导致高温项目的催化剂用量一般都较多。需要强调的是，虽然通过配方优化，可以在一定程度上提高SCR催化剂在高温段的抗烧结能力，但是由于SCR催化剂本身的化学物理性能局限，其在高温烟气中的失活仍不可避免。

对于高温工况，首先应考虑通过设备改造来调节烟气温度，设法使温度降低。如果无法进行设备改造，应考虑适当降低对催化剂的化学寿命要求。因为在高温项目中，预留了一定量的催化剂储备体积，这部分催化剂在初始的

16000小时并没有发挥出所有的活性，但是过早置于烟气中却已经遭受高温烟气对其的损害，造成一定程度的失活和化学寿命的损耗。这时，可以考虑初期化学寿命为16000小时，待16000小时终结时，只需添加不多的附加层用量，即可满足剩余8000小时的运行。

另一方面，应选择活性组分均匀分布的均质催化剂，因为这类催化剂在生产时，其活性组分溶液都经过老化处理，老化处理可在一定程度上拓宽催化剂反应温度窗口。

4其他恶劣工况

4.1高含硫工况

燃用高硫份煤种时，会导致烟气中SO2含量增加，即使能保持1%的SO2氧化率，氧化生成的SO3总量仍会较高。SO3会和还原剂氨(NH3)反应生成(NH4)HSO4(ABS)和(NH4)2SO4(AS)。硫酸氢铵是一种极其粘稠的物质，粘附在设备表面极难清除。

如果粘附在催化剂表面，又会继续粘附飞灰颗粒，导致SCR催化剂积灰堵塞。硫酸铵是一种干态的粉状物质，当生成量较多时，会增加烟气中的飞灰浓度，加剧催化剂的磨损，并使催化剂积灰堵塞的风险增大。为了消除或减少(NH4)HSO4对设备的粘附和腐蚀，只能在(NH4)HSO4的露点温度ADP以上喷入NH3，以使生成的(NH4)HSO4呈气态，随烟气流出SCR系统。

根据拉乌尔定律，烟气中(NH4)HSO4的露点温度和气相中SO3、NH3的平衡分压有关，烟气中SO3浓度越高，平衡分压越大，则(NH4)HSO4的露点温度越高。而SCR系统的最低喷氨温度一般要高于(NH4)HSO4的露点温度，最终导致了SCR系统运行温度提高。如果实际烟气温度不高或稍高于要求的最低喷氨温度，则会导致操作弹性降低。

此种工况进行催化剂设计时，一般不会造成催化剂用量增加，但由于最低喷氨温度较高，致使SCR反应器的布置难度增加，或者需要加装省煤器旁路，以提高SCR进口温度。在进行催化剂选型时，应选取具有低SO2氧化率配方设计的催化剂或板式催化剂。

4.2垃圾焚烧炉、掺烧生物质燃料工况

垃圾焚烧发电和掺烧市政污泥是解决环境污染和能源危机的较好方案，但是由此也给SCR催化剂的设计、运行提出了更高的要求。因为，垃圾和污泥中的P、Na、K、CaO等使催化剂中毒的元素含量是普通煤质中的数十倍，代用燃料的强毒性使得即使燃用时间很短，也会给催化剂带来较大危害。

我国普遍存在城市生活垃圾和工业垃圾、市政污泥和工业污泥不严格分类的情况，造成使用这一类代用燃料时，烟气及飞灰成分复杂不明确，包含了许多未知的催化剂毒物，极大地限制了对催化剂的化学寿命评价和经济性分析。依据国外经验，进行此类工况的催化剂设计选型时，对催化剂的失活要着重考虑，应留有较多的设计裕量和储备体积。

《节能与环保》作者：肖雨亭;陆金丰;汪德志;彭光军

延伸阅读：

防止脱硝催化剂金属中毒、催化剂表面污堵的技术措施

燃煤机组SCR脱硝催化剂性能评价与寿命管理系统

脱硝催化剂的再生及回收技术全解析

SCR脱硝催化剂磨损及堆灰治理