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SCR脱硝催化剂设计选型及运行措施

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专题2  SCR脱硝催化剂设计选型及运行措施

1  催化剂的种类

SCR 系统中的重要组成部分就是催化剂,其成本是整个SCR 系统投资的主要部分,因此对于催化剂的选型对于整个SCR系统的正常运行至关重要。

燃煤电厂 SCR运用中对催化剂的要求如下:

(1) 具有较高的NOx选择性;

(2) 在较低的温度下和较宽的温度范围内具有较高的催化活性;

(3) 具有较高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性;

(4) 费用较低;

(5) 烟气压力损失小。

目前燃煤电厂SCR中常用的催化剂类型包括蜂窝式,板式和波纹板式,各种不同形式的催化剂比较请参见下表。板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材,负载上含有活性成分的载体压制成板状;蜂窝式催化剂是由蜂窝陶瓷基材、金属载体和分散在蜂窝表面的活性组分组成,或金属载体负载活性成分直接挤压成蜂窝状的催化剂,本项目采用无毒催化剂。

不同形式催化剂比较

项目

蜂窝式

板式

波纹板式

结构形式

主要生产厂家

Cormetech/Agillon

催化剂化成/江苏龙源/重庆远达/山东天璨

BHK

Agillon

Topsoe

Hitz

基材

整体挤压成型

不锈钢网

纤维

加工工艺

均匀挤出式

涂覆式(钢架构支撑)

覆涂式

(玻璃纤维架构支撑)

比表面积

1.5~1.8

1

1.27

同等条件下所需体积

1

1.4

1.2

开孔率

80%

87%

75%

抗堵性

中等

中等

抗磨性

中等

压损

1.12

1

1.48

全球业绩

≈65%

≈33%

很少

各公司催化剂的有效成分和制备方法各不相同,但其一般制备方法是:蜂窝状催化剂都是将催化剂载体制成浆体挤压成型,经干燥焙烧后浸渍上催化剂活性成分,再经过干燥焙烧后制作成催化剂成品;平板型催化剂是在金属网格上压制催化剂载体,经干燥焙烧后浸渍加入活性成分,再干燥焙烧后成为成品催化剂。在具体电站的应用,因其特性、当地实际情况和对脱硝效果的要求不同,对催化剂的大小、成分、工作条件等也进行相应的具体调节,以适应电站的要求。

对催化剂性能影响较大的因素有反应温度、催化剂量、氨的注入量等。由于在 300~400℃这个温度区间催化剂有最佳活性,通常脱硝反应设定在这个温度范围内。当反应温度不在这个温度范围内时,催化剂的性能将降低,尤其是在高温区域使用时,由于过热促使催化剂的表面被烧结,使催化剂寿命降低。催化剂反应温度的依赖特性是由催化剂的各种活性成分的含有浓度以及比例所决定的。通过适当地选择活性金属的组成,可以制造适合于各种用途且具有最佳特性的催化剂。

催化剂的量是根据脱硝装置的设计能力和操作要求来决定的,增加催化剂量可以提高脱硝性能,在实际应用中,催化剂的初期充填量是设计要求的最适量和使用期间的损失量之和。烟气中的 NOx 和 NH3几乎是 1:1 的反应。

2  催化剂规格的选择

Ø  蜂窝式催化剂在不同烟气含灰量下孔径的选择如下:

孔数

应用范围

含灰量(mg/Nm3)

节距(mm)

16

燃煤

50000mg/Nm3左右

9.4左右

18

燃煤

40000mg/Nm3左右

8.4左右

20

燃煤

30000mg/Nm3左右

7.4左右

21

燃煤

20000mg/Nm3左右

7.1左右

25

燃油

≤500

6.0左右

35

燃气

≤50

4.3左右

Ø  板式催化剂在不同烟气含灰量下板间距的选择如下:

灰含量(g/Nm3)

应用范围

板间距(mm)

<16

燃煤

5~6

≤16~30

燃煤

6左右

≤30~50

燃煤

6~7.1

对于本项目而言,含尘量大致为50g/m3,因此可选用16孔蜂窝催化剂。

3  催化剂的互换

目前世界各地生产的催化剂模块均为1m×2m的截面系列,唯一的区别在于模块的高度不同,因此根据各个项目的设计参数和性能要求,如果层高尺寸按较高的催化剂模块进行考虑、承载按较重的催化剂模块考虑,这样即可实现不同厂商催化剂模块的互换。

4催化剂失效的因素

尽管催化剂具有抗性能退化特性,但随着时间的推移,催化剂的性能潜力会通过两种常见模式衰减:可用活性部位数量减少和活性部位掩蔽。下表给出其它几种催化剂毒物以及影响性能潜力的几种机理。

衰减源

机理

温度>420℃

因陶瓷材料熔结而减小可用表面面积

(除高温催化剂外)

细颗粒物质

通过掩蔽表面和阻止氨扩散到孔结构中使可用表面积

减小

氨硫化合物

堵塞孔,阻止氨扩散

碱金属, Na, K

与活性部位发生离子交换

碱土金属, Ca, Mg

通常以硫酸盐的形式与酸性部位结合,从而降低催化剂吸收NH3的能力,例如,以CaSO4的形式

卤素

可能与活性金属部位发生反应,并使之挥发

V, Pt, Cr 和该族元素

沉积在催化剂上,从而降低NH3生成NO的反应速度

硅氧烷

硅聚合物逐渐附着在催化剂表面上,掩蔽住活性部位


在实际燃煤电厂的SCR 系统运行中,催化剂的失效直接影响系统的正常运行和脱硝效率,失效缩短了催化剂的寿命,也就加大了电厂因更换催化剂而引起的成本投入。引起催化剂失效的原因主要有热烧结、碱金属中毒、砷中毒、碱土金属中毒、催化剂的堵塞和腐蚀及催化剂突变失效等。

热烧结是因为运行温度不当导致催化剂不能在其最适宜的温度范围内工作,使催化剂表面积减少而失效;碱金属可在化学上束缚催化剂活性位导致催化剂失效,飞灰中的自由 CaO 与吸附在催化剂上的 SO3反应生成 CaSO4,引起催化剂表面堵塞,阻碍 NOx与催化剂接触而不能充分反应,出现碱土金属中毒;砷中毒和催化剂堵塞腐蚀是实际 SCR催化剂应用中最常出现的失效因素,燃煤中的砷可以浓缩在催化剂的微孔中物理堵塞催化剂,还可通过 As2O3气体迅速在催化剂表面与O2和V2O5反应生成As2O5而粘结在催化剂表面,而使催化剂活性丧失;催化剂堵塞一般是由氨盐的沉积和飞灰沉淀引起的;腐蚀由在催化剂面上的飞灰冲击引起,是气体速度、灰特性、冲击角度和催化剂特性集体影响的结果。催化剂突变失效虽十分罕见,但它能使催化剂性能突然的永久性失去,一般认为其主要原因与灰集结点燃相关联,炉火强烈的热量能不可逆转地损伤任何 SCR 催化剂。

因此,对催化剂孔结构进行优化极其重要。需要对催化剂孔结构进行了特别设计,减小了扩散阻力,从而增强了均相催化剂抵抗砷化物的能力。除了均相催化剂本身固有的特性和特别设计的特性外,还采用了基于实验室和现场测试建立起来的计算机模型。这些模型预示了为保证各特定应用中正确催化剂体积应控制的催化剂毒物聚积速度。

除了催化剂的制造和设计技术之外,砷中毒还可以利用系统防范措施加以减缓。其中一项系统防范措施就是使用燃料添加剂。为了防止高浓度气态砷化物(As2O3)的出现,可以在燃料中添加石灰。石灰与燃料之间的典型重量比为1:200~1:50(石灰 1:400 ~ 1:100),具体依机组类型和气态砷化物浓度水平而定。

5防止催化剂堵塞的措施

催化剂的内孔孔径决定了催化剂抗堵灰的特性,根据锅炉飞灰的特性,选择采用节距较大的防堵灰性能较好的催化剂,同时在反应器入口加设导流装置,可有效减轻由于烟气转弯在局部造成的堵灰情况,结合合理的吹灰系统设计和规范的吹灰运行,可保证在本工程的高灰烟气条件下催化剂不堵灰。

由于采用了大节距的催化剂,催化剂内烟气较低,同时合理的设计及运行保证催化剂内不堵灰,烟气通过催化剂的压力损失是比较小的。我方拟采用的催化剂为20孔,孔径7.4 毫米的产品。该产品在全世界范围内应用很广泛,本身的抗堵灰特性就很好。表面还加装了金属筛网,防止细灰坠落搭桥形成大灰,从而可以防止催化剂堵塞。

另外在SCR 系统中安装了声波吹灰器,以除去可能挡住或堵塞活性催化剂表面和烟气通道的微粒。通过保持催化剂烟气通道无微粒的存在,吹灰器有助于保持SCR 反应器中烟气压降在一定范围之内。

通常情况下,每次吹扫工作是在催化剂层或催化剂层的局部进行的。所有催化剂层的吹扫需要花费30分钟到2小时,但是通常不是很频繁。

6失效催化剂的再生和处理

失效催化剂的处理方式主要有三种:再生、清洗回用及填埋。对于结构保持完整、仍有较高活性的催化剂,一般由催化剂厂家采用专用设备进行清洗,经检验合格后可继续使用;已经残破但仍有较高活性的的催化剂可以由催化剂原料提供商回收,经粉碎提炼出催化剂制造所需原料,再提供给催化剂厂家制造新催化剂;对于没有经济价值的旧催化剂,一般采用破碎后填埋的方法来处理。

首先,要取样化验催化剂活性降低的原因,目的是确定清洗催化剂的时间和再生过程中需要添加的药品。其次,清洗催化剂上的粉尘(方法是在水槽中进行旋转清洗,专利技术),再用高压水枪进一步清洗。再次,在水中充入空气,使其产生漩涡或气泡对蜂巢内部进行深入清洗。同时在水中添加化学药剂,随气泡能更好的附在孔内。

催化剂的再生过程包括浸泡洗涤、超声波处理、恢复活性和烘干。催化剂失效后是否采用再生处理,要根据催化剂失活的具体情况进行分析。如果催化剂失活是因为高温烧结导致的,催化剂就无法进行再生;如果是因为As中毒造成的,再生处理需要的成本比较高。对于具体的项目,就是要根据催化剂样品的分析,对再生的可行性以及经济性进行分析,以确定是否采用再生的方法来处理失效的催化剂。

如果不采用再生处理,可以采用填埋,只需要填埋在铺膜的坑内即可。如果在锅炉的运行过程中,烟气中有大量的As等有毒物质在催化剂上积聚,那么在失效催化剂的储运和最后的处理中,就要根据国家相关规定按照危险物质进行操作。

我方催化剂合作伙伴能够对蜂窝式的催化剂能进行再生,一般再生时间是2-3个星期,也可在电厂进行现场清洗。催化剂的再生可以分为在线和离线两种再生技术。

催化剂再生的步骤:

1)                   首先在实验室对失活的催化剂进行测试。

2)                   然后对同类失活的催化剂进行再生;

3)                   对再生后的催化剂进行活性测试

4)                   通过比较找出最好的再生方法

5)                   然后根据现场的实际情况选择是现场再生还是离线再生。

再生后的催化剂催化性能可以恢复到最初性能的60-80%。催化剂再生的成本一般是新催

在线再生

离线再生

化剂的30-50%(在线方法)或者40-60%(离线方法)。

废弃催化剂的处置

失活的催化剂若不想再利用,则按照固体废弃物相关的标准进行处置。

7催化剂的运行

7.1 启动,冷启动

在脱硝反应器冷启动时,脱硝装置应该先预热。催化剂应被预热至烟气水露点温度以上,以避免启动时催化剂内部出现凝结水。

7.2 热启动

在反应器停运后,如果反应器的温度仍然在烟气水露点以上,则无需预热催化剂就可进行重新启动。否则,按照冷启动的步骤进行启动。

7.3 氨气喷注系统的启动

当催化剂出口的烟气温度高于硫酸氢氨露点温度10℃时,启动氨气注入系统。

7.4 正常操作

7.4.1 吹灰系统

为了清理催化剂,反应器应配置吹灰系统。清灰装置可以阻止灰尘的积累,以确保系统的正常运行。

7.4.2 催化剂运行温度

蜂窝状催化剂具有良好的抗热应力性能,并且能承受锅炉正常的温度变化,例如锅炉启动,负荷变化,以及停炉。催化剂运行温度范围为320℃~420℃。在高温的情况下,将出现催化剂的烧结现象。当温度大于450℃时,将会导致催化剂的损坏,从而降低脱硝效率。

7.4.3 运行温度的限制

为了避免由于硫酸氢氨聚集引起的催化剂暂时失活,连续运行时入口处温度应高于硫酸氢氨的露点温度时。硫酸氢氨将首先冷凝在催化剂的空隙里,冷凝过程是可逆的,当运行温度高于硫酸氢氨露点温度以上时,硫酸氢氨可蒸发,催化剂将恢复活性。硫酸氢氨的沉积物会产生粘性,吸附飞灰。当在露点以下运行时,应增加吹灰的频率。

运行温度长时间低于硫酸氢氨露点温度时将导致催化剂活性的明显降低。在这种情况下,即使将温度升至露点以上也不可能使催化剂恢复活性。在低于露点温度的条件下连续运行的时间必须控制在300 小时以内,同时催化剂的运行温度必须在300℃以上。

7.5 负荷变化

选择的催化剂可以适应烟气温度的变化,以及锅炉正常的负荷变化。催化剂可以承受每分钟100℃的温度变化率。

7.6 停机

在锅炉停炉时需要对SCR 装置进行停机操作。在这种情况下应停止喷氨,脱硝装置应停止运行。

7.6.1 长期停机

当反应器入口烟气温度不能维持在320℃时要停止喷氨。

停机前,反应器应充分通风,以避免停机后催化剂上停留有烟气。通风时间为5分钟即可。

7.6.2 短期停机

短期停机时,由于烟气温度不会降至露点以下,所以不需要对反应器进行通风。当催化剂出口烟气温度大于硫酸氢氨的露点温度至少10℃时,可以启动氨气喷射装置。

7.6.3 停机

反应器里的温度应保持在露点温度以上。当湿度过高时,可用干空气吹扫。

8   技术专家简介: 从事大气污染控制等方面的设计、设备制造、工程总承包等方面工作二十多年。拥有国家专利二十项.主持大中型环保工程项目设计20余项,主持大型环保工程总承包2项,涉及工程投资近3亿元,是(电改袋)施工的主要负责人之一,有丰富的施工组织和管理经验,也是”863“.国内第一台电除尘器改袋式除尘器1600000立方/小时烟气量全套设计方案参与。星火热电厂75吨/小时锅炉袋式除尘,脱硫设计方案主要负责人...2005年11月设计日本帝人三原事务所世界第一台以煤、旧轮胎及少量料制品为混合燃料65T/H高温高压环流化床锅炉(煤、木屑、旧轮胎混合燃料)袋式除尘器,240T/H电袋复合除尘器及脱硫通过日本专家审核,。出口粉尘浓度≤20 mg/ Nm3 。山西左权鑫兴冶炼厂硅冶炼电炉烟气净化除尘,山西安泰焦化厂4000M2至6000M2的大型阻火防爆型脉冲除尘器在焦炉除尘.重庆太极集团制药厂20t/h-75t/h燃煤锅炉袋式除尘及脱硫系统. 济南钢铁股份有限公司第一烧结厂660000 m3/h电袋复合除尘器主设计,山东江泉集团临沂烨华焦化厂6000M2大型阻火防爆型脉冲除尘器整体设计,河南省汝州巨龙实业有限公司75t/h燃煤锅炉烟气电袋复合除尘及脱硫系统工程,河南中孚实业股份有限公司12.5万吨电解烟气净化系统,广西北海高岭科技15平方,25平方电除尘器,黑龙江双鸭山水泥厂100平方和50平方电除尘器,江苏射阳热电有限公司88平方电除尘器,郴州热电130t/h机组脱硝SCR工程,张掖热电2×75t/h机组脱硝SCR工程,华银热电2×75t/h机组脱硝SNCR工程, 毕节热电厂2×130t/h机组脱硝SNCR,绍兴玻璃制品厂脱硝SCR,山东优嘉能源热力有限公司1×40t/h煤粉锅炉烟气超低排放工程SNCR+SCR组合脱硝工艺等。。。。。。

10   专业团队提供国内外各行业除尘(静电除尘器,布袋除尘器,电袋复合除尘器,电除尘改袋除尘器, 电除尘改电袋复合除尘器). 脱硫(石灰石/石膏湿法烟气脱硫技术; 循环半干法脱硫技术). 脱硝;SCR烟气脱硝, SNCR烟气脱硝.投标前咨询、资料准备、设备选型、技术标书制作、协助商务技术谈判以及中标后工程管理咨询、工程图纸设计、设备监造、调试及运行的服务。同时,为客户提供全套的设备设计图纸,使得客户能根据自己的需要生产其急需的设备,从而节约了大量的设备投入资金和运输费用。





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