周洪權, 宋學頂, 陶曉波, 官貞珍

(1.上海環(huán)境衛(wèi)生工程設計院有限公司 焚燒中心, 上海 200232;2.華能(上海)電力檢修有限責任公司 鍋爐檢修部, 上海 200942;3.上海電力學院 能源與機械工程學院, 上海 200090)

催化劑是選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)煙氣脫硝技術的核心,其成本占SCR系統(tǒng)總成本的40%～50%,其成分組成、結構及相關參數直接影響到SCR系統(tǒng)的整體脫硝性能。SCR催化劑按形狀主要分為蜂窩式、板式和波紋板式3種,其中蜂窩式的市場占有率最高,為60%～70%[1]。

目前成熟的商業(yè)催化劑為V2O5/TiO2釩鈦基催化劑,反應溫度窗口為320～450 ℃[2],但用于燃煤電站和生活垃圾焚燒廠的典型釩鈦系催化劑壽命一般只有3年[3],逾期需更換。國內外SCR脫硝催化劑的研究主要集中在提高鈦基為載體的低成本低溫催化劑的抗水抗硫性上。本文以國內某垃圾焚燒廠SCR低溫催化劑運行為例,研究蜂窩狀釩鎢鈦脫硝催化劑對垃圾焚燒煙氣中NOx的脫除情況。

1 項目背景

國內某垃圾焚燒廠,采用往復式機械爐排焚燒爐,煙氣凈化采用“選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)+半干法+干法+活性炭噴射+袋式除塵器+SCR”處理工藝。其中,SCR系統(tǒng)早期采用國外某顆粒狀催化劑模塊,反應溫度為170 ℃。

催化劑自投運半年后,分別兩次對各條焚燒線的催化劑理化性能進行了測定,檢測結果顯示顆粒狀催化劑中有少量硫酸氫氨及堿金屬殘留,催化劑脫硝活性有所下降,通過再生處理后,催化劑活性有所回升。本文選取其中一條焚燒線作為試驗線,在試驗線上測試國內某蜂窩狀釩鎢鈦脫硝催化劑,先后進行了5次測試。

2 測試目標及內容

(1) 在正常工況下對安裝了蜂窩狀SCR催化劑的試驗線進行脫硝試驗測試,驗證其脫硝效果。從催化劑的壓損檢測、活性檢測和脫硝效率3個方面進行判定。

(2) 調整工況,尋找SCR催化劑的脫硝效率與反應溫度、噴氨量之間的關系。

(3) 開展SNCR-SCR法聯(lián)合脫硝測試試驗,尋找合適的反應溫度及噴氨量等組合參數,使系統(tǒng)的整體脫硝效率達到最佳水平。

為了充分了解國內該蜂窩狀催化劑脫硝特性,前后共進行過5次跟蹤測試。

3 測試儀器及方法

本次測試儀器主要有Testo340(2臺)、青島嶗應3012H(1臺)、ECOM-J2KN(1臺)等可移動檢測設備,配合該焚燒廠的煙氣在線監(jiān)測系統(tǒng)(Continuous Emission Monitoring System,CEMS),主要測試SCR反應器進出口的NO,NO2,O2,NH3,H2O和粉塵的濃度,以及反應區(qū)溫度、煙氣流量、壓力等。為了保證監(jiān)測數據的準確性和一致性,檢測設備需提前校核。SCR系統(tǒng)未投用氨水蒸發(fā)器,試驗過程中將濃度為24%左右的氨水噴入煙氣主管道內汽化后,進入SCR反應器中。改變試驗工況,通過煙氣分析儀及CEMS在線監(jiān)測煙氣中NOx濃度的變化。

4 測試結果

4.1 催化劑壓損測試結果

從該垃圾焚燒廠的集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)數據可知,試驗線的蜂窩狀催化劑從投入運行至第3次測試以來,SCR反應器阻力隨鍋爐負荷維持在550～600 Pa之間波動。2016年5月至8月以來,SCR催化劑壓損維持在500～650 Pa之間波動,沒有明顯變化,統(tǒng)計曲線見圖1。

催化劑采用蜂窩式設計,運行阻力低且穩(wěn)定,壓損對粉塵不敏感,可滿足垃圾焚燒行業(yè)布袋除塵器之后的運行需要。

4.2 催化劑活性測試結果

在第4次試驗期間,從試驗線SCR系統(tǒng)共采集5例催化劑樣品。測試結果表明,盡管上層催化劑中雜質及堿性金屬的累積量明顯高于下層催化劑,但催化劑未見明顯硫酸氫銨附著,對催化劑中毒影響不大。此外,煙氣中的飛灰含量雖對壓損影響有限,但長期堆積在催化劑表面的粉塵會逐步占據催化劑表面活性位點,從而阻礙了氨參與脫硝反應的通道;另外,飛灰中含有的堿金屬也會毒化催化劑[4-5]。因此,為了保持較高的脫硝效率,建議焚燒廠每年定期對催化劑表面進行清灰。

圖1 2016年5月至8月SCR反應器中催化劑壓損在線統(tǒng)計曲線

4.3 催化劑脫硝效率

蜂窩狀催化劑5次測試的脫硝效率如圖2所示。SCR反應器反應溫度在167 ℃左右,噴氨量在15～19 L/h,煙囪排煙中測得的氨逃逸量(標準狀態(tài)下)為2.1～7.2 mg/m3。除了2016年4月SCR反應器入口NOx平均濃度(標準狀態(tài)下)達到154 mg/m3外,其他時間段平均濃度(標準狀態(tài)下)在90～100 mg/m3。

由圖2可知,第3次測試的脫硝效率最低,這是由于測試之前過量噴氨導致SCR反應器中的氨殘留量增加,引起催化劑模塊腐蝕,導致催化劑活性下降。當停止噴氨一天后再次測試時,SCR反應器的脫硝效率重新升至50%左右。因此,為了確保催化劑的活性,需嚴格控制噴氨量。

圖2 歷次測試SCR反應器的脫硝效率對比

從該垃圾焚燒廠現(xiàn)場運行數據可知,試驗線SCR反應器安裝蜂窩狀催化劑后,煙氣出口的NOx濃度及氨逃逸量達標情況更穩(wěn)定。

5 結果討論

5.1 溫度對脫硝效率的影響

試驗線SNCR反應區(qū)過量噴氨后,所逃逸的氨部分被布袋除塵器捕獲,剩余的氨通過SCR反應器后由煙囪排出。因此,即使SCR反應器不噴氨,也有部分來自SNCR反應區(qū)的氨逃逸至SCR反應器。經初步統(tǒng)計計算,在不同焚燒工況下SNCR反應區(qū)過量噴氨時,會有35～50 mg/m3(標準狀態(tài)下)的氨逃逸至SCR反應器。在運行工況穩(wěn)定的條件下,保持SNCR反應區(qū)噴氨量不變,SCR反應器入口NOx濃度(標準狀態(tài)下)為72.55～119.51 mg/m3,出口NOx濃度(標準狀態(tài)下)為47.28～64.37 mg/m3,氨逃逸量(標準狀態(tài)下)為4.8～7.5 mg/m3。單獨通過蒸汽加熱器對進入SCR反應器前的煙氣進行加熱至反應溫度,檢測該溫度下的SCR反應器的脫硝效率,其結果如圖3所示。

從圖3可知,SCR催化劑的脫硝效率隨著溫度的上升而上升,但166 ℃以后脫硝效率上升的幅度變緩,但消耗蒸氣量增多。從經濟性及工程維護的角度考慮,在能夠保證SCR反應器的脫硝效率在46%左右的情況下,維持反應溫度在166～170 ℃即可。

圖3 SCR反應器在不同反應溫度下的脫硝效率

5.2 噴氨量對脫硝效率的影響

采用SNCR-SCR法聯(lián)合脫硝,當SNCR反應區(qū)不過量噴氨(即濃度為5%的稀氨水溶液的流量保持在70 L/h),并確保NOx排放濃度和氨逃逸量合格時,增加SCR反應器噴氨量,此時SCR反應器入口處氨氮當量比(Normalized Stoichiometric Ratio,NSR)值發(fā)生變化,研究SCR反應器入口處不同NSR值時的脫硝效率變化情況,具體測試結果如表1和圖4所示。為保證NOx排放濃度達標,SCR反應器噴氨量為零時,因SNCR反應區(qū)過量噴氨,此時SCR反應器入口處NSR值仍有1.22。

表1 167 ℃下SCR反應器中不同噴氨量時的NOx濃度和氨逃逸量(標準狀態(tài)下)

圖4 167 ℃下反應器入口處不同NSR值時的脫硝效率

由表1和圖4可知,采用SNCR-SCR法聯(lián)合脫硝,其中SNCR反應區(qū)過量噴氨,當SCR反應器噴氨量為零,即SCR反應器入口處NSR值為1.22時,脫硝效率為54.05%;增加SCR反應器噴氨量,脫硝效率變化不大;但當SCR反應器噴氨量增加到25 L/h時,NSR值達到2.51,此時氨逃逸量超標,濃度(標準狀態(tài)下)達到10.6 mg/m3。因此,SCR反應器NSR值不宜過高,一般不超過1.3,氨逃逸濃度(標準狀態(tài)下)應控制在10 mg/m3以內。

6 結 論

通過某生活垃圾焚燒廠SCR脫硝試驗線改用蜂窩狀催化劑后進行多次脫硝測試,可得出以下結論:

(1) 該蜂窩狀催化劑自投運以來,運行阻力低且穩(wěn)定,壓力長期穩(wěn)定在700 Pa左右,壓損對粉塵不敏感。

(2) 從經濟性及工程維護的角度考慮,在能夠保證SCR反應器脫硝效率的情況下,反應溫度維持在166～170 ℃即可,NSR值一般不宜超過1.3,不可過量噴氨。

(3) 根據測試結果,為保證催化劑的脫硝活性及使用壽命,需定期對催化劑進行表面清理及再生。

參考文獻：

[1] FORZATTI P.Present status and perspectives in de-NOxSCR catalysis[J].Applied Catalysis A:General,2001,222(1):221-236.

[2] HUANG J,LIU Y,YUAN J H,et al.Al/Al2O3composite coating deposited by flame spraying for marine applications:alumina skeleton enhances anti-corrosion and wear performances[J].Journal of Thermal Spray Technology,2014,23(4):676-683.

[3] FORZATTI P,LIETTI L,TRONCONI E.Nitrogen oxides removal-industrial,encyclopedia of catalysis[M].New York:John Wiley & Sons,2002:351-352.

[4] 王青山.飛灰成分對 Mn/TiO2催化劑的毒化機理研究[D].上海:上海電力學院,2016.

[5] 王舒嫻.飛灰成分對 Co/TiO2催化劑催化氧化NO的毒化機理研究[D].上海:上海電力學院,2017.