高灰分煤种SCR脱硝装置催化剂选择论述

吴沛

0.前言

根据《国务院关于印发“十二五”节能减排综合性工作方案的通知》（国发【2011】26号）规定： “十二五”期间新建燃煤机组全部安装脱硫脱硝设施，单机容量30万千瓦及以上现役燃煤机组全部加装脱硝设施。所以，烟气脱硝技术的应用是当前火力发电厂面临解决的问题。

烟气脱硝技术主要包括：选择性催化还原法（SCR）、选择性非催化还原法（SNCR）、选择性非催化还原与选择性催化还原联合法（SNCR/SCR）、液体吸收法、微生物法、活性炭吸附法、电子束法等。其中， SCR脱硝技术是国外最广泛采用的烟气脱硝技术，也是我国火电厂烟气脱硝的首选技术。SCR脱硝系统由SCR反应器、烟道系统、氨储存和制备系统系统、氨喷射和混合系统和控制系统等组成。SCR脱硝催化剂作为系统的核心部件，直接决定着SCR系统的运行效果，同时由于SCR催化剂价格昂贵，对系统造价有很大贡献，约占总造价的40-50%。

1.脱硝催化剂的发展

目前电厂脱硝催化剂类型有平板式催化剂、蜂窝式催化剂和波纹板式催化剂三种，绝大多数电厂均采用平板式和蜂窝式催化剂，两者市场份额占90%以上。平板式催化剂和蜂窝式催化剂19世纪70年代在日本首先开发成功，并得到大规模应用。随着欧洲和美国环境标准的严格，欧洲和美国开始大规模生产SCR脱硝催化剂。当时主要的蜂窝式催化剂厂商奥地利的CERAM、德国的SIEMENS（后来的ARGILLON，现在的Johnson Matthey ARGILLON）、美国的CORMETECH等，平板式催化剂厂商包括日本的日立和德国的SIEMENS（后来的ARGILLON，现在的Johnson Matthey ARGILLON），其中JM ARGILLON是全球唯一的一家同时生产蜂窝式和平板式催化剂的厂家。在20世纪80年代，Topsoe和日立造船开始开发波纹板式催化剂并应用，相对平板式和蜂窝式催化剂，其应用业绩较少。

2.不同类型催化剂特点

蜂窝式催化剂、平板式催化剂和波纹板式催化剂主要是按照其断面形状来区分的：蜂窝式催化剂断面为矩形，采用活性材料整体挤出成型；平板式催化剂以不锈钢筛网板为担体表面碾压活性物质，每隔一段距离留有一个褶皱；而波纹板式催化剂则是以类似于纸质的纤维板制作成波纹形状后彼此叠加工成模块后再在溶液中浸渍、干燥和煅烧后得到。具体特性见表1。

表1 催化剂类型的比较

2.1不同类型催化剂的适用性

由于制备工艺和断面形状的不同，不同类型催化剂适用范围有所不一样。

波纹板式催化剂具有最大的比表面积，体积用量相对最小，但由于采用纸质纤维表面浸渍活性物质的制备工艺和波纹板式结构，在燃煤高灰烟气条件下更容易堵塞。由于飞灰的磨损会造成表面活性物质快速流失，催化剂迅速失去活性；磨损严重时飞灰甚至会直接对纸质纤维板担体进行冲刷造成其断裂；另外，由于活性物质较少和纸质担体材料强度不够，不能够进行再生。综上所述，波纹板催化剂一般应用在无灰和低灰的场合，在燃煤高灰烟气条件下性能较差，主要集中在燃油和燃气场合，全球波纹板式催化剂的业绩不到10%。

平板式催化剂空隙率高，飞灰容易通过，不易堵灰；采用不锈钢筛网薄板作为担体，在运行会发生持续震动，不易积灰，抗中毒性能强；由于采用不锈钢筛网板作为支撑，机械强度大，不会坍塌，安全性好，在高灰燃煤烟气条件下有很好的适应性。

虽然蜂窝式催化剂与平板式催化剂相比，其通流面积较小和机械强度相对较弱，其抗堵塞和抗磨损性能低于平板式催化剂，极高灰的条件下仍有一定堵塞和磨损坍塌的风险，但是由于其比表面积较大，在燃煤烟气中低灰条件下所需体积量较小，同时，由于蜂窝式催化剂活性成分使用量较大，在高灰的磨损下表面可以得到更新，长久保持活性。

蜂窝式和平板式催化剂在燃煤电厂都有广泛的应用，但一般来说，蜂窝式催化剂更适合于燃气、燃油和燃煤中低灰烟气条件脱硝，平板式催化剂更适合高灰和极高灰燃煤烟气条件。

2.2不同类型催化剂的防堵性能

由于不同类型催化剂的断面形状和结构的不同，三种类型的催化剂的防堵性能也有所差异。美国一燃煤电厂对不同类型催化剂在同一SCR反应器中进行防堵性能比较实验发现：波纹板式催化剂完全堵死；小节距蜂窝式催化剂基本堵死，大节距蜂窝式催化剂零星堵塞；平板式催化剂完全未堵塞。实验证明平板式催化剂在高灰燃煤烟气条件具有最好的防堵性能。

平板式催化剂之所以具有最好的防堵性能，除其通流截面积最大外，更主要是因为其采用不锈钢筛网薄板作为担体，制作成类似于空预器换热板的形状，在烟气流通时会发生连续震动，飞灰不易在其表面沉积。

2.3不同类型催化剂的防磨损性能

由于不同类型催化剂的制备工艺和结构不同，三种类型催化剂的防磨损性能也有差异。

波纹板式催化剂由于采用纸质玻璃纤维板作为担体，并使用浸渍工艺，在燃煤烟气中飞灰冲击下，会造成波纹板式催化剂表面活性物质很快流失，活性迅速下降，并可能对纸质纤维板直接冲刷，造成断裂。

平板式催化剂和蜂窝式催化剂抗磨损性的比较

平板式和蜂窝式催化剂均可在燃煤电厂中使用，对抗飞灰磨损都有一定的效果。但是相比于采用陶土作为载体的蜂窝式催化剂，平板式催化剂是以不锈钢筛网作为催化剂载体的，在烟气速度较快、含灰量较高情况下，不锈钢筛网可有效保护催化剂免受烟气中飞灰对催化剂的磨损，从而避免坍塌。如果蜂窝式催化剂壁厚太薄，在高尘浓度冲刷下仍然具有被磨穿断裂的风险。

2.4不同类型催化剂飞灰浓度的适应性

由于磨损和飞灰堵塞等原因，不同类型催化剂适应不同的飞灰浓度。波纹板式催化剂由于自身特点，一般很少应用在燃煤烟气条件，蜂窝式和平板式催化剂均可以应用在燃煤烟气条件。由于平板式催化剂自身的特点，其在高灰燃煤烟气条件下更具优势。根据日立BHK和ARGILLON的设计经验，一般在25g/Nm3的飞灰浓度以上平板式催化剂的优势就很明显。

2.5平板式催化剂的压降优势

由于平板式催化剂的通流面积大，而且不易发生通道堵塞，平板式催化剂的压降是三种类型催化剂中最小的，可以减少动力消耗。

2.6平板式催化剂和蜂窝式催化剂的互换性

在全世界范围内，波纹板式、蜂窝式和平板式催化剂均采用模块化设计，为了业主能有更多的选择，不同类型催化剂可以进行互换。

2.7脱硝催化剂市场份额

在三种类型的脱硝催化剂中，蜂窝式和平板式催化剂在全世界范围内占据90%以上的电厂脱硝催化剂市场份额，波纹板式催化剂的市场份额不到10%，蜂窝式和平板式催化剂是世界上的主流脱硝催化剂产品。在国际市场的燃煤电厂脱硝领域，板式催化剂在燃煤电厂脱硝业绩略高于蜂窝式，而蜂窝状在燃气燃油方面，业绩较为突出。在燃煤电厂业绩方面板式催化剂和蜂窝状催化剂之比为6：4。

3.结论

平板式催化剂和波纹板式催化剂是主流的脱硝催化剂类型，目前平板式催化剂与蜂窝式催化剂在燃煤电厂脱硝中份额相当。由于两者特性不同，使用场合会有所差别：平板式催化剂在抗灰堵和安全性方面独具优势，从安全性角度会优先选择平板式催化剂，尤其是对于高灰烟气条件；但蜂窝式催化剂比表面积大，对于中低灰烟气条件，体积需求量小，从经济性上会优先选择蜂窝式催化剂。