生活垃圾焚烧厂SCR低温催化剂运行案例分析

周洪权, 宋学顶, 陶晓波, 官贞珍

(1.上海环境卫生工程设计院有限公司 焚烧中心, 上海 200232;2.华能(上海)电力检修有限责任公司 锅炉检修部, 上海 200942;3.上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

催化剂是选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)烟气脱硝技术的核心,其成本占SCR系统总成本的40%～50%,其成分组成、结构及相关参数直接影响到SCR系统的整体脱硝性能。SCR催化剂按形状主要分为蜂窝式、板式和波纹板式3种,其中蜂窝式的市场占有率最高,为60%～70%[1]。

目前成熟的商业催化剂为V2O5/TiO2钒钛基催化剂,反应温度窗口为320～450 ℃[2],但用于燃煤电站和生活垃圾焚烧厂的典型钒钛系催化剂寿命一般只有3年[3],逾期需更换。国内外SCR脱硝催化剂的研究主要集中在提高钛基为载体的低成本低温催化剂的抗水抗硫性上。本文以国内某垃圾焚烧厂SCR低温催化剂运行为例,研究蜂窝状钒钨钛脱硝催化剂对垃圾焚烧烟气中NOx的脱除情况。

1 项目背景

国内某垃圾焚烧厂,采用往复式机械炉排焚烧炉,烟气净化采用“选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)+半干法+干法+活性炭喷射+袋式除尘器+SCR”处理工艺。其中,SCR系统早期采用国外某颗粒状催化剂模块,反应温度为170 ℃。

催化剂自投运半年后,分别两次对各条焚烧线的催化剂理化性能进行了测定,检测结果显示颗粒状催化剂中有少量硫酸氢氨及碱金属残留,催化剂脱硝活性有所下降,通过再生处理后,催化剂活性有所回升。本文选取其中一条焚烧线作为试验线,在试验线上测试国内某蜂窝状钒钨钛脱硝催化剂,先后进行了5次测试。

2 测试目标及内容

(1) 在正常工况下对安装了蜂窝状SCR催化剂的试验线进行脱硝试验测试,验证其脱硝效果。从催化剂的压损检测、活性检测和脱硝效率3个方面进行判定。

(2) 调整工况,寻找SCR催化剂的脱硝效率与反应温度、喷氨量之间的关系。

(3) 开展SNCR-SCR法联合脱硝测试试验,寻找合适的反应温度及喷氨量等组合参数,使系统的整体脱硝效率达到最佳水平。

为了充分了解国内该蜂窝状催化剂脱硝特性,前后共进行过5次跟踪测试。

3 测试仪器及方法

本次测试仪器主要有Testo340(2台)、青岛崂应3012H(1台)、ECOM-J2KN(1台)等可移动检测设备,配合该焚烧厂的烟气在线监测系统(Continuous Emission Monitoring System,CEMS),主要测试SCR反应器进出口的NO,NO2,O2,NH3,H2O和粉尘的浓度,以及反应区温度、烟气流量、压力等。为了保证监测数据的准确性和一致性,检测设备需提前校核。SCR系统未投用氨水蒸发器,试验过程中将浓度为24%左右的氨水喷入烟气主管道内汽化后,进入SCR反应器中。改变试验工况,通过烟气分析仪及CEMS在线监测烟气中NOx浓度的变化。

4 测试结果

4.1 催化剂压损测试结果

从该垃圾焚烧厂的集散控制系统(Distributed Control System,DCS)数据可知,试验线的蜂窝状催化剂从投入运行至第3次测试以来,SCR反应器阻力随锅炉负荷维持在550～600 Pa之间波动。2016年5月至8月以来,SCR催化剂压损维持在500～650 Pa之间波动,没有明显变化,统计曲线见图1。

催化剂采用蜂窝式设计,运行阻力低且稳定,压损对粉尘不敏感,可满足垃圾焚烧行业布袋除尘器之后的运行需要。

4.2 催化剂活性测试结果

在第4次试验期间,从试验线SCR系统共采集5例催化剂样品。测试结果表明,尽管上层催化剂中杂质及碱性金属的累积量明显高于下层催化剂,但催化剂未见明显硫酸氢铵附着,对催化剂中毒影响不大。此外,烟气中的飞灰含量虽对压损影响有限,但长期堆积在催化剂表面的粉尘会逐步占据催化剂表面活性位点,从而阻碍了氨参与脱硝反应的通道;另外,飞灰中含有的碱金属也会毒化催化剂[4-5]。因此,为了保持较高的脱硝效率,建议焚烧厂每年定期对催化剂表面进行清灰。

图1 2016年5月至8月SCR反应器中催化剂压损在线统计曲线

4.3 催化剂脱硝效率

蜂窝状催化剂5次测试的脱硝效率如图2所示。SCR反应器反应温度在167 ℃左右,喷氨量在15～19 L/h,烟囱排烟中测得的氨逃逸量(标准状态下)为2.1～7.2 mg/m3。除了2016年4月SCR反应器入口NOx平均浓度(标准状态下)达到154 mg/m3外,其他时间段平均浓度(标准状态下)在90～100 mg/m3。

由图2可知,第3次测试的脱硝效率最低,这是由于测试之前过量喷氨导致SCR反应器中的氨残留量增加,引起催化剂模块腐蚀,导致催化剂活性下降。当停止喷氨一天后再次测试时,SCR反应器的脱硝效率重新升至50%左右。因此,为了确保催化剂的活性,需严格控制喷氨量。

图2 历次测试SCR反应器的脱硝效率对比

从该垃圾焚烧厂现场运行数据可知,试验线SCR反应器安装蜂窝状催化剂后,烟气出口的NOx浓度及氨逃逸量达标情况更稳定。

5 结果讨论

5.1 温度对脱硝效率的影响

试验线SNCR反应区过量喷氨后,所逃逸的氨部分被布袋除尘器捕获,剩余的氨通过SCR反应器后由烟囱排出。因此,即使SCR反应器不喷氨,也有部分来自SNCR反应区的氨逃逸至SCR反应器。经初步统计计算,在不同焚烧工况下SNCR反应区过量喷氨时,会有35～50 mg/m3(标准状态下)的氨逃逸至SCR反应器。在运行工况稳定的条件下,保持SNCR反应区喷氨量不变,SCR反应器入口NOx浓度(标准状态下)为72.55～119.51 mg/m3,出口NOx浓度(标准状态下)为47.28～64.37 mg/m3,氨逃逸量(标准状态下)为4.8～7.5 mg/m3。单独通过蒸汽加热器对进入SCR反应器前的烟气进行加热至反应温度,检测该温度下的SCR反应器的脱硝效率,其结果如图3所示。

从图3可知,SCR催化剂的脱硝效率随着温度的上升而上升,但166 ℃以后脱硝效率上升的幅度变缓,但消耗蒸气量增多。从经济性及工程维护的角度考虑,在能够保证SCR反应器的脱硝效率在46%左右的情况下,维持反应温度在166～170 ℃即可。

图3 SCR反应器在不同反应温度下的脱硝效率

5.2 喷氨量对脱硝效率的影响

采用SNCR-SCR法联合脱硝,当SNCR反应区不过量喷氨(即浓度为5%的稀氨水溶液的流量保持在70 L/h),并确保NOx排放浓度和氨逃逸量合格时,增加SCR反应器喷氨量,此时SCR反应器入口处氨氮当量比(Normalized Stoichiometric Ratio,NSR)值发生变化,研究SCR反应器入口处不同NSR值时的脱硝效率变化情况,具体测试结果如表1和图4所示。为保证NOx排放浓度达标,SCR反应器喷氨量为零时,因SNCR反应区过量喷氨,此时SCR反应器入口处NSR值仍有1.22。

表1 167 ℃下SCR反应器中不同喷氨量时的NOx浓度和氨逃逸量(标准状态下)

图4 167 ℃下反应器入口处不同NSR值时的脱硝效率

由表1和图4可知,采用SNCR-SCR法联合脱硝,其中SNCR反应区过量喷氨,当SCR反应器喷氨量为零,即SCR反应器入口处NSR值为1.22时,脱硝效率为54.05%;增加SCR反应器喷氨量,脱硝效率变化不大;但当SCR反应器喷氨量增加到25 L/h时,NSR值达到2.51,此时氨逃逸量超标,浓度(标准状态下)达到10.6 mg/m3。因此,SCR反应器NSR值不宜过高,一般不超过1.3,氨逃逸浓度(标准状态下)应控制在10 mg/m3以内。

6 结 论

通过某生活垃圾焚烧厂SCR脱硝试验线改用蜂窝状催化剂后进行多次脱硝测试,可得出以下结论:

(1) 该蜂窝状催化剂自投运以来,运行阻力低且稳定,压力长期稳定在700 Pa左右,压损对粉尘不敏感。

(2) 从经济性及工程维护的角度考虑,在能够保证SCR反应器脱硝效率的情况下,反应温度维持在166～170 ℃即可,NSR值一般不宜超过1.3,不可过量喷氨。

(3) 根据测试结果,为保证催化剂的脱硝活性及使用寿命,需定期对催化剂进行表面清理及再生。

参考文献：

[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.飞灰成分对 Mn/TiO2催化剂的毒化机理研究[D].上海:上海电力学院,2016.

[5] 王舒娴.飞灰成分对 Co/TiO2催化剂催化氧化NO的毒化机理研究[D].上海:上海电力学院,2017.