锅炉烟气脱硝工业侧线试验

王学海，李 勇，刘忠生，齐慧敏，彭德强

（中国石油化工股份有限公司 抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001）

NH3选择性催化还原（NH3-SCR）是所有烟气脱硝技术中最成熟和应用最广泛的，NH3-SCR具有效率高、选择性好和投资少等优点[1-9]。SCR催化剂按结构不同可分为板式、波纹式和蜂窝式，其中，蜂窝式整体催化剂是均质催化剂，其表面遭到磨蚀后，仍然能维持原有的催化活性[10,11]。蜂窝式催化剂因其具有寿命长、催化效率高、耐腐蚀性强、可重复使用等优点而得到了广泛的工业应用。从目前已投入运行的SCR装置看，75%的脱硝装置采用蜂窝式催化剂[12]。

国家“十二五”经济社会发展规划首次将NOx列为约束性指标，要求“十二五”期间NOx排放减少10%。我国是以燃煤为主要能源的发展中国家，其中由燃煤电厂所排放的NOx占全国NOx排放总量的 67%。为满足新制定的 GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》，几乎所有的燃煤锅炉都面临着NOx的减排压力。近几年，我国通过引进国外脱硝催化剂生产技术已建设了多条生产线，如福建大拇指环保科技集团有限公司、江苏龙源催化剂有限公司、山东三融催化剂有限公司、重庆远达催化剂有限公司、成都东方凯特瑞环保催化剂有限公司、青岛华拓科技股份有限公司等，正在建设的有浙江浙能催化剂技术有限公司和大唐南京环保科技有限公司等。但我国还缺乏具有自主知识产权的脱硝催化剂生产技术，抚顺石油化工研究院经过多年研究，研制出适合锅炉烟气脱硝的 FN-2G催化剂并在工业侧线装置上进行了试验。

1 实验部分

1.1 FN-2G催化剂

FN-2G脱硝催化剂主要物化性质见表1。

表1 FN-2G催化剂的物化性质Table 1 Physicochemical properties of FN-2G catalyst

1.2 脱硝工业侧线装置

脱硝工业侧线装置为撬装式，装置尺寸为：3 m×5 m×14 m，装置处理规模为：1 000 m3/h。

装置主要由换热器、加热器、混合器、反应器、液氨瓶、风机等构成。流程简述如下：来自燃煤锅炉出口的 150～160 ℃烟气，用风机抽吸进入换热器，换热后的烟气升温至200 ℃；200 ℃烟气通过电加热器加热至 300～400 ℃反应温度；加热后的烟气在混合器内与来自供氨单元的氨气充分混合；混合气进入脱硝反应器内进行反应，净化烟气通过换热器后返回原烟道。采用德国 MRU公司的SWG200在线监测烟气分析仪进行 NOx的检测。SWG200烟气分析仪把测得的NOx浓度信号远传至PLC，PLC根据NOx浓度与烟气流量计算需要注入的氨气量并通过氨气质量流量计自动调节氨气量。

烟气引自130 t/h中温中压燃煤锅炉，燃煤中N含量约0.54%，S含量约0.97%。烟气主要组成见表2。

表2 烟气主要组成Table 2 The main composition of flue gas

1.3 催化剂表征用仪器

BET采用Micromeritics公司生产的 ASAP2405物理吸附仪测定样品的比表面积和孔体积(测试前样品在1×10-4Pa、150 ℃下抽真空处理)，液N2作吸附质，吸附温度为-196 ℃。

采用日本理学D/max 2500型X-射线衍射仪进行样品的物相分析，Cu靶，Kα辐射源，石墨单色器，管电压40 kV，管电流80 mA，扫描范围5°～ 40°，步长0.01°，扫描速率1°/min。

2 实验结果与讨论

2.1 反应温度的影响

SCR反应是一个放热反应，但产生热量较低，对烟气的温升影响有限，例如流量(N)1 000 m3/h，NOx浓度500 mg/m3(N)的燃煤烟气，理论计算结果：SCR反应产生热量使烟气产生的温升＜5 ℃。但在试验中，我们观察到SCR反应器出口温度反而低于入口温度6～10 ℃，可能是反应器保温效果不好。

以反应器进、出口的平均温度作为反应温度考察FN-2G催化剂在300～400 ℃温度区间内催化活性，结果见图1。由图可见，催化剂在300～400 ℃温度区间内都具有很高的催化活性，脱硝率大于90%。脱硝率随着反应温度的升高呈先增后降的趋势，在 340 ℃时具有最高的催化活性，脱硝率达95.1%。

图1 反应温度对脱硝率的影响Fig.1 Effect of reaction temperature on denitrification rate

催化剂的主要活性组分V2O5对SO2转化为SO3的氧化反应也具有催化活性。在脱硝反应过程中，SO2/SO3转化率是需要严格控制的，通常控制在 1%以内。因为生成的 SO3与反应逃逸的 NH3、烟气中的水蒸气等反应生成硫酸铵盐，硫酸铵盐在催化剂表面及SCR反应器下游设备和管道上沉积，可引起堵塞、腐蚀和压降上升等问题[6]。SO2/SO3转化率随反应温度的变化见图2。由图2可知，在300～400℃温度区间内，SO2/SO3转化率随反应温度的升高逐渐增大，由 300 ℃时的 0.31%增加到 400 ℃时的0.74%。由此可见，FN-2G催化剂能够满足SO2/SO3转化率控制在1%以内的要求。

图2 反应温度对SO2/SO3转化率的影响Fig.2 Effect of reaction temperature on SO2 oxidation rate

2.2 反应空速的影响

空速表示烟气在脱硝反应器内的停留时间，空速大，脱硝反应有可能不完全，氨逃逸量也大。由图3可知，当空速在2 000～6 000 h-1之间，NOx去除率基本上在 94%以上。催化剂在长时间使用过程中，由于磨损、堵塞、中毒等原因，一部分催化剂活性将降低或者失活，在实际使用时要留出足够的余量。本工业侧线试验长期运转时的空速为4 000 h-1。

图3 反应空速对脱硝率的影响Fig.3 Effect of space velocity on denitrification rate

2.3 催化剂床层压降与吹灰

烟气中的粉尘对催化剂床层压降和催化剂有重要的影响。催化剂床层压降主要与烟气流量、催化剂床层高度和脱硝蜂窝催化剂孔径大小有关，粉尘在催化剂表面堆积将会使烟气流通截面减少，压降升高。在长期运转中，粉尘中的碱金属和碱土金属会在催化剂活性中心上积聚，导致催化剂活性下降[13,14]。

图4是连续试验期间吹灰对床层压降和脱硝率的影响。

图4 吹灰对床层压降和脱硝率的影响Fig.4 Effect of Soot-blowing on denitrification rate

从图4可见，床层压降随着反应时间缓慢上升，由初始的500 Pa增加至550 Pa。吹灰后，床层压降降至500 Pa。吹灰前后，脱硝率没有明显的变化。

2.4 稳定性试验

图5是FN-2G脱硝催化剂的稳定性试验结果，主要考察了脱硝率和氨逃逸率。氨逃逸率是脱硝系统性能的重要指标之一，因为逃逸氨会与 SO2反应生成硫酸氢铵，会腐蚀及堵塞反应器下游设备；另外，过多的NH3进入大气，也会对大气造成二次污染，一般需控制逃逸氨在3×10-6以内。从图5可知，在1 000 h的寿命试验过程中，脱硝率保持稳定，一般在 92%以上；氨逃逸率一直低于 3×10-6，说明FN-2G具有良好的活性和稳定性。

图5 FN-2G催化剂的稳定性试验Fig.5 Stability test of FN-2G catalyst

2.5 催化剂表征

试验前后FN-2G催化剂的XRD表征结果如图6所示。从图6可知，试验前FN-2G的XRD谱图上未发现V和W物种的特征峰，而只出现了TiO2的特征峰。Luis和Motonobu等也发现类似的现象，他们认为V和W在TiO2载体上是均匀分布的。试验后FN-2G的XRD谱图未发生变化，表明其具有良好的结构稳定性。

3 结 论

工业侧线试验结果表明：在反应温度300～400℃，反应空速2 000～6 000 h-1范围内，FN-2G催化剂具有很好的催化活性，脱硝率大于90%，SO2/SO3< 1%。1 000 h的寿命试验过程中，脱硝率稳定在92%以上，氨逃逸率低于3×10-6，试验前后催化剂的XRD谱图未发生变化，说明FN-2G催化剂具有良好的活性稳定性和结构稳定性。

图6 FN-2G催化剂实验前后的XRD表征Fig.6 XRD characterization of FN-2G catalyst before and after test

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