春國(guó)成

（大唐陜西府谷煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林　719400）

SCR脫硝催化劑反應(yīng)活性探討

春國(guó)成

（大唐陜西府谷煤電有限責(zé)任公司，陜西 榆林719400）

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)保要求以及對(duì)NOx排放指標(biāo)要求的不斷提高，SCR脫硝技術(shù)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。闡述了SCR脫硝技術(shù)的工藝原理，分析了SCR脫硝催化劑在運(yùn)行中因積灰堵塞、磨損和中毒而失活的原因，提出了在設(shè)計(jì)和運(yùn)行等方面的優(yōu)化措施，以期能對(duì)延長(zhǎng)催化劑使用壽命、降低運(yùn)行費(fèi)用提供參考借鑒。

催化劑；選擇性催化還原法；脫硝技術(shù)；反應(yīng)活性

0　引言

煤經(jīng)燃燒而產(chǎn)生的NOx能誘發(fā)光化學(xué)煙霧，形成酸雨及引起溫室效應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，燃煤電站鍋爐產(chǎn)生的NOx大約為煤燃燒產(chǎn)生NOx總量的40 %以上。實(shí)施NOx的嚴(yán)格控制是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)的客觀和必然要求。

我國(guó)在“十二五”期間首次把NOx排放濃度列入到約束性指標(biāo)體系之中，NOx排放成為“十二五”期間控制污染物排放的重點(diǎn)。2010年6月，環(huán)境保護(hù)部印發(fā)的《“十二五”主要污染物總量控制規(guī)劃編制指南》明確將氮氧化物納入國(guó)家總量控制的指標(biāo)體系之中，并將電力行業(yè)作為排放控制的重點(diǎn)。

2011-07-29，GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》將NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為100 mg/m3（標(biāo)態(tài)），同時(shí)要求現(xiàn)役和新建火電企業(yè)的火電機(jī)組分別在2014-07-01及2012-01-01前達(dá)到氮氧化物質(zhì)量濃度排放上限值100 mg/m3（標(biāo)態(tài)）的指標(biāo)。

2014-09-12，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)、環(huán)保部、能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》（簡(jiǎn)稱《行動(dòng)計(jì)劃》），提出將推出更嚴(yán)格的能效環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，加快燃煤發(fā)電升級(jí)與改造。同時(shí)，《行動(dòng)計(jì)劃》明確指出：在基準(zhǔn)氧含量6 %的條件下，煙塵、SO2，NOx排放濃度分別不高于10 mg/m3，35 mg/m3，50 mg/m3。并進(jìn)一步提出：到2020年?yáng)|部地區(qū)現(xiàn)役的機(jī)組通過改造基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放限值的要求。

日益嚴(yán)格的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，使具備脫硝效率高、NH3/NOx摩爾比小、NH3逃逸和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率低等優(yōu)點(diǎn)的選擇性催化還原（SCR）法全煙氣脫硝技術(shù)成為我國(guó)火電企業(yè)煙氣脫硝的首選。

1　SCR脫硝工藝原理

SCR脫硝技術(shù)工藝原理為：一定溫度下的氨/空氣混合物注射入煙氣通道中，與一定溫度下的鍋爐煙氣充分混合；充分混合后的煙氣、空氣及氨混合物通過SCR反應(yīng)器里特定設(shè)置的催化劑層，在催化劑的作用下，煙氣中的NOx與氨在催化劑的表面發(fā)生充分的化學(xué)還原反應(yīng)，生成N2和H2O。SCR系統(tǒng)的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O（富氧狀態(tài)）；

6NO2+8NH3=7N2+12H2O；

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O（缺氧狀態(tài)）；

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O。

上述化學(xué)反應(yīng)中第1個(gè)反應(yīng)是最主要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在經(jīng)煤燃燒而產(chǎn)生的NOx產(chǎn)物中，NO占90 %以上。在催化劑不參與的情況下，該反應(yīng)只在980 ℃左右的窄溫范圍發(fā)生。在合適催化劑的參與下，該反應(yīng)溫度能降至290-430 ℃，適合火電廠實(shí)際操作。

在SCR脫硝過程中，也會(huì)有2個(gè)主要的副反應(yīng)發(fā)生，即SO2被氧化成SO3以及SO3與逃逸的NH3發(fā)生反應(yīng)生成NH4HSO4。NH4HSO4的凝結(jié)溫度為270-320 ℃，液態(tài)NH4HSO4會(huì)吸附在催化劑的表面使其失去活性，同時(shí)也能腐蝕空氣預(yù)熱器，降低其傳熱性能和增大壓降。目前使用釩鎢鈦系催化劑的SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口的最低安全噴氨溫度為290 ℃，為防止反應(yīng)器入口NH4HSO4的凝結(jié)，SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口溫度應(yīng)調(diào)至330 ℃以上；為確保最佳催化反應(yīng)，SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)口溫度應(yīng)控制在350-390 ℃。

SCR脫硝目前一般按高含塵布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，即脫硝反應(yīng)器布置于省煤器出口與空預(yù)器入口之間的煙道上，每臺(tái)鍋爐配2臺(tái)SCR反應(yīng)器。SCR脫硝工藝如圖1所示。

2　SCR脫硝催化劑運(yùn)行中存在的問題

國(guó)內(nèi)投運(yùn)的SCR脫硝項(xiàng)目，其SCR脫硝催化劑在運(yùn)行中主要存在以下幾方面的問題。

2.1催化劑堵塞

在生產(chǎn)過程中煤經(jīng)燃燒產(chǎn)生的大量飛灰以及在脫硝中形成的氨鹽顆粒沉積在催化劑的表面或小孔之中，造成SCR脫硝催化劑堵塞，嚴(yán)重阻礙氮氧化物、氨和氧到達(dá)催化劑的活性表面，使催化劑發(fā)生鈍化、活性降低。并且，催化劑局部被堵塞也會(huì)進(jìn)一步造成催化劑的磨損，嚴(yán)重影響脫硝系統(tǒng)的正常生產(chǎn)運(yùn)行。

2.2催化劑磨損

由于鍋爐系統(tǒng)產(chǎn)生的飛灰在高溫?zé)煔飧吡魉贍顩r下與催化劑的表面發(fā)生碰撞，同時(shí)也由于SCR反應(yīng)室設(shè)計(jì)不合理等，使得催化劑表面約30 %的面積因長(zhǎng)期積灰造成嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致流經(jīng)剩下催化劑暢通孔內(nèi)的煙氣流速提高了30 %-50 %。催化劑表面積灰面積過大造成煙氣入射角提高，也進(jìn)一步加劇了催化劑的磨損，使催化劑的整體結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松。

2.3催化劑中毒

煙氣中的氣態(tài)砷化物，Pt，Pb等重金屬和水溶性堿金屬Na，K，Ca等進(jìn)入催化劑的內(nèi)部并堆積，在催化劑的活性位置與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使催化劑的活性降低。

（1） 煙氣中的氣態(tài)砷化物分子首先在催化劑表面與O2和V2O5發(fā)生反應(yīng)，形成一個(gè)砷的飽和層；然后滲透到催化劑內(nèi)部的微小空隙中，As2O3固化在活性、非活性區(qū)域，破壞催化劑的毛細(xì)管，限制NH3等反應(yīng)氣體在催化劑內(nèi)的擴(kuò)散，嚴(yán)重影響催化劑的活性。

（2） 隨著覆蓋在催化劑表面的堿金屬濃度的不斷增加，催化劑的活性也隨之不斷減弱。特別在有水參與的情況下，具有高流動(dòng)性的堿金屬很容易進(jìn)入催化劑的內(nèi)部，這對(duì)催化劑的毒害性將是持久的。

圖1　SCR脫硝工藝

（3） Li2O，Na2O，K2O，Rb2O，Cs2O等堿金屬對(duì)催化劑的毒害性依次增強(qiáng)。同時(shí)，包含堿金屬的鹽類物質(zhì)也會(huì)導(dǎo)致催化劑失去活性。

（4） 液態(tài)水對(duì)催化劑的活性影響巨大，催化劑活性隨煙氣含水率的遞增而快速降低。一方面是因?yàn)閴A金屬在有水參與的情況下活性非常強(qiáng)，會(huì)進(jìn)一步滲入到催化劑的內(nèi)部；另一方面，催化劑毛細(xì)孔中凝結(jié)的水會(huì)因系統(tǒng)升溫而膨脹汽化，破壞催化劑的組織結(jié)構(gòu)而使催化劑受損。煙氣含水率和催化劑活性的關(guān)系如圖2所示。

圖2　煙氣含水率對(duì)催化劑活性的影響

3　提升SCR脫硝催化劑活性的措施

3.1優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1） 優(yōu)化設(shè)計(jì)煙氣通道、噴氨及混合系統(tǒng)、SCR反應(yīng)室等關(guān)鍵系統(tǒng)，減小SCR系統(tǒng)的阻力，確保反應(yīng)器中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的分布均勻，可實(shí)現(xiàn)最佳的催化劑工藝性能；消除SCR反應(yīng)室入口截面上易形成的高灰區(qū)、高速區(qū)和偏流區(qū)域，避免出現(xiàn)催化劑的堵塞和磨損。

（2） 優(yōu)化催化劑上游的省煤器出口灰斗外形，增大灰斗尺寸或在省煤器出口灰斗之上加裝導(dǎo)流擋板，同時(shí)可結(jié)合設(shè)置大灰濾網(wǎng)等預(yù)除塵設(shè)備，進(jìn)一步增強(qiáng)攔截能力，以避免煙氣中的大顆粒飛灰進(jìn)入脫硝系統(tǒng)，維護(hù)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（3） 在SCR裝置煙道出口處設(shè)置合適的灰斗，并根據(jù)入爐煤的灰分、反應(yīng)器內(nèi)的溫度及鍋爐吹掃方式和使用頻率合理設(shè)計(jì)調(diào)整催化劑層吹掃方式。

（4） 在SCR裝置首層催化劑的床層上設(shè)置金屬絲網(wǎng)的格柵，并且使絲網(wǎng)的節(jié)間距離小于所選催化劑的孔徑。

（5） 根據(jù)脫硝反應(yīng)器現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際空間和系統(tǒng)阻力要求等因素，合理設(shè)計(jì)催化劑床層布置方式，提高催化劑的利用率。

（6） 在催化劑入口邊緣部分采用硬化設(shè)計(jì)措施，提高邊緣硬度，抵御塵粒的沖擊磨蝕。

（7） 對(duì)于脫硝改造項(xiàng)目的老電廠，要考慮新加裝脫硝裝置對(duì)已有設(shè)備的影響情況，需要改造的要統(tǒng)一考慮，確保整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善。

3.2加強(qiáng)工藝運(yùn)行管理

（1） 加強(qiáng)SCR裝置工藝人員的知識(shí)培訓(xùn)，使其熟練掌握相關(guān)操作技能。嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行手冊(cè)要求，在運(yùn)行操作過程中密切關(guān)注SCR系統(tǒng)阻力的變化、溫度變化、脫硝效率和NH3的逃逸等指標(biāo)的變化，組建SCR系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，不斷積累SCR脫硝裝置運(yùn)行管理和系統(tǒng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。

（2） 加強(qiáng)吹灰操作、監(jiān)控和管理工作。特別對(duì)于首層催化劑要采取聲波吹灰器與蒸汽吹灰裝置聯(lián)合作業(yè)，按工藝要求和實(shí)際運(yùn)行情況及時(shí)調(diào)整吹灰方案，避免催化劑出現(xiàn)堵塞。

（3） 當(dāng)燃用砷含量較高的煤時(shí)，可以在保證SCR脫硝催化劑活性的前提下盡可能地降低反應(yīng)溫度，促使氣態(tài)的砷元素自然凝聚成核。為減少砷元素在燃燒過程中的揮發(fā)量，可以適當(dāng)采用高砷煤與高鈣灰的煤進(jìn)行混燒的方式，或者向爐膛內(nèi)添加1 %-2 %的石灰石。

砷與石灰石中的CaO進(jìn)行反應(yīng)，將氣態(tài)的砷固化為對(duì)催化劑無毒害作用的固態(tài)CaAsO4。但當(dāng)CaO濃度過高時(shí)，形成的CaSO4的量亦會(huì)隨之增加，CaSO4會(huì)導(dǎo)致催化劑堵塞。因此，在一定的砷濃度下，催化劑的使用壽命隨燃煤中CaO含量的增大而先增大后減小。另外，在催化劑中添加Mo作為助劑，可改變砷的吸附位置，減弱砷對(duì)催化劑活性的不利影響。

3.3嚴(yán)格控制系統(tǒng)水凝結(jié)

在鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)和SCR脫硝系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)期，催化劑處的溫度比較低，煙氣中所含的水蒸氣在反應(yīng)器中易在催化劑的表面冷凝結(jié)露，這將會(huì)嚴(yán)重影響催化劑的活性和壽命。

此時(shí)可以使用空氣加熱系統(tǒng)為催化劑進(jìn)行預(yù)熱保護(hù)，使脫硝反應(yīng)器維持較低的濕度水平，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命。在催化劑的儲(chǔ)運(yùn)過程中，同樣也需要采取必要的措施保證催化劑的干燥，避免其機(jī)械性能下降。

4　結(jié)束語(yǔ)

催化劑的性能直接影響著SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行效果，加強(qiáng)催化劑的維護(hù)、保持催化劑的長(zhǎng)期高活性是SCR脫硝運(yùn)行工作中的關(guān)鍵問題。催化劑堵塞、磨損和中毒等情況都會(huì)使催化劑失活，探討催化劑失活的原因，可以有針對(duì)性地對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定合適的催化劑失活預(yù)防措施。這對(duì)提高催化劑使用壽命、降低生產(chǎn)運(yùn)行的維護(hù)費(fèi)用，取得最大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益具有積極的意義。

1 環(huán)境保護(hù)局，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

2 陳蓮芳，周慎杰，王偉.選擇性催化還原煙氣脫硝反應(yīng)器流場(chǎng)的模擬優(yōu)化［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30（3）：224-229.

3 劉武標(biāo).SCR煙氣脫硝效率及催化劑活性的影響因素分析［J］.能源工程，2012，22（3）：47-50.

4 顧慶華，胡秀麗.SCR脫硝反應(yīng)區(qū)域運(yùn)行溫度影響因素研究［J］.潔凈煤技術(shù)，2015，21（2）：77-80.

5 沈伯雄，熊麗仙，劉亭，等.納米負(fù)載型V2O5-WO3/ TiO2催化劑堿中毒及再生研究［J］.燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（1）：85-91.

世界最高電壓最大容量柔性直流輸電工程建成投運(yùn)

8月29日，世界電壓等級(jí)最高、輸電容量最大的柔性直流輸電工程——“魯西背靠背直流工程”柔性直流單元建成投運(yùn)，標(biāo)志著該工程整體投運(yùn)。

“魯西背靠背直流工程”是南方電網(wǎng)公司重點(diǎn)工程，工程位于云南羅平縣，是目前世界上首次采用柔性直流與常規(guī)直流組合模式的背靠背工程。通過該工程的建設(shè)，不僅增強(qiáng)南方電網(wǎng)主網(wǎng)架整體安全穩(wěn)定性，提高云南電網(wǎng)外送能力，還為兩廣地區(qū)提供清潔、廉價(jià)的綠色電力，帶動(dòng)我國(guó)裝備制造業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)電力發(fā)展的結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)。而且這種高電壓、大容量的柔性直流輸電工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后電網(wǎng)發(fā)展具有一定的借鑒和示范作用。

“柔性直流技術(shù)不需要交流側(cè)電壓支撐，控制更靈活，電能質(zhì)量更高，換流站占地也更小，可有效避免常規(guī)直流由于交流側(cè)電壓不穩(wěn)而引起的換相失敗問題?！痹摴井惒铰?lián)網(wǎng)項(xiàng)目部技術(shù)管理工程師周競(jìng)宇說，“比如在智能化方面，常規(guī)直流電網(wǎng)潮流反轉(zhuǎn)至少需要數(shù)十秒，而柔性直流僅需要幾十毫秒。此外，與電壓等級(jí)和輸電容量一樣的常規(guī)直流相比，柔性直流換流站占地面積可節(jié)省1/3的用地，像魯西換流站節(jié)約土地面積將近100畝（1畝≈667 m2）?！?/p>

據(jù)悉，該工程創(chuàng)造了該領(lǐng)域的多個(gè)世界第1，除了世界上第1次采用了常規(guī)和柔直單元的并聯(lián)運(yùn)行模式之外，柔直單元額定容量1 000 MW、直流電壓±350 kV，電壓和容量都是目前為止世界最高水平的，工程的綜合自主化率達(dá)到100 %。

由于是世界首次采用高壓大容量柔性直流輸電技術(shù)，尚無成熟的工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，南方電網(wǎng)公司克服了常規(guī)直流和柔性直流的協(xié)調(diào)控制、單臺(tái)換流器功率模塊多的限制等多個(gè)世界級(jí)難題，同時(shí)組織國(guó)內(nèi)供貨設(shè)備廠家積極開展研究，制訂了上百本設(shè)計(jì)規(guī)范，開展了多次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)，進(jìn)行了上千次控制保護(hù)功能性和動(dòng)態(tài)性試驗(yàn)，在柔性直流領(lǐng)域建立了一整套具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，獲得100多項(xiàng)專利，在高壓大容量柔性直流輸電領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

（來源：南方電網(wǎng)超高壓輸電公司網(wǎng)站 2016-09-01）

2016-05-18。

春國(guó)成（1973-），男，工程師，主要從事火力發(fā)電技術(shù)管理工作，email：chunqiu999@qq.com。