垃圾焚烧烟气处理采用SCR工艺催化剂的选择及运行中的注意事项

周志新

摘  要：随着部分城市对垃圾焚烧厂烟气排放指标提出了更为严格的要求，尤其是氮氧化物已经达到日均值80mg/Nm3[1]，垃圾焚烧厂单独使用的SNCR（选择性非催化还原）工艺已无法适应愈加严格的排放要求。为适应日趋严格的烟气排放标准，SCR（选择性催化还原）工艺越来越受到业界重视。文章主要阐述了垃圾焚烧厂烟气脱硝采用SCR工艺时，催化剂的选择要点及运行中的注意事项。

关键词：垃圾焚烧;SCR催化剂;注意事项

中图分类号：X701         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）28-0100-02

Abstract： As some cities have put forward more stringent requirements for flue gas emission indicators of municipal solid waste incineration plants， especially nitrogen oxides have reached the daily average value of 80mg/Nm3[1]， the SNCR （selective non-catalytic reduction） process used by municipal solid waste incineration plants alone has been unable to meet the increasingly stringent emission requirements. In order to adapt to the increasingly stringent flue gas emission standard， SCR （selective catalytic reduction） process has been paid more and more attention by the industry. This paper mainly expounds the key points of catalyst selection and matters needing attention in operation when SCR process is adopted in flue gas denitrification in municipal solid waste incineration plant.

Keywords： solid waste incineration; SCR catalyst; matters needing attention

国内垃圾焚烧厂主要采用SNCR工艺及低氮燃烧工艺控制烟气中的氮氧化物。随着《深圳市生活垃圾处理设施运营规范》（SZDB/Z 233-2017）的发布，正式将垃圾焚烧烟气中氮氧化物的排放指标收紧至80mg/Nm3。目前使用的SNCR工艺由于脱硝效率普遍保持40%左右，仅能将氮氧化物稳定的控制在180mg/Nm3，无法满足更加严格的排放标准。采用SCR工艺脱除烟气中的氮氧化物已成为垃圾焚烧厂的重要选择。

1 催化剂的选择要点

催化剂是SCR工艺的重要组成部分，按运行温度可分为高温催化剂，中温催化剂，低温催化剂，催化剂性能将直接影响SCR系统的整体脱硝效果[2]。所以选择催化剂时需要兼顾催化剂的运行温度、比表面积、脱硝效率、活性、氨逃逸等参数进行选择。

1.1 运行温度

SCR催化剂依据运行温度一般分为高温催化剂（运行温度400℃以上）、中温催化剂（运行温度200℃-380℃）、低温催化剂（运行温度200℃以下）。垃圾焚烧厂基于烟气中二氧化硫和重金属（尤其是铅、汞）的影响一般将SCR工艺布置于布袋除尘器下游。而布袋除尘器出口温度一般在140～160℃，不利于布置高温催化剂。低温催化剂虽然对于运行温度适应较好，但存在其他较严重的工艺缺陷。

高温催化剂普遍活性较好，具有良好抗硫酸氢铵、抗氯化氢、抗水中毒能力，抗磨性能强，硫中毒再生后性能恢复好。由于运行温度在400℃以上，如果设置在布袋除尘器后方，则需要设置SGH、GGH、电加热器等升温设备，能耗极高。如果布置在余热锅炉过热器后部则需要提前处理烟气中的重金属，避免重金属对催化剂活性造成影响。此时如果提前喷入活性炭虽然吸附了重金属，但后续再合成的二噁英无法得到吸附，需要在除尘器前再次喷入活性炭，造成浪费。一般不建议采用高温催化剂。

中温催化剂活性相对较高，具有较理想的抗硫酸氢铵、抗氯化氢能力。硫酸氢铵中毒后，在线再生性能可恢复到初始状态的60%以上;重金属中毒后活性明显降低，在线再生效果不明显。需要布置SGH、GGH等设备，有较高的能耗。布置于布袋除尘器后部，能耗可接受。

低温催化剂活性高，但对运行参数要求严格。正常情况下，运行温度低于硫酸氢铵的分解温度（200℃），硫酸氢铵一旦生成将逐渐覆盖催化剂孔洞，导致催化剂比表面积下降，形成硫中毒。同时由于催化剂运行于低温环境，为保证脱硝效率，在比表面积一定的前提下需进一步提高V2O5、WO3的比例从而提高剂活性，这也进一步提高烟气中SO2/SO3转化率，缩短了硫中毒所需時间。此时SO2/SO3转化率可能大于1%。

1.2 比表面积

比表面积是催化剂一个重要参数，指代一定质量的催化剂外露表面积的总和。催化剂是一个在真空条件下挤出并经过高温烧制而成，整体呈现陶状多孔的结构。由于脱硝过程主要发生在催化剂表面，所以催化剂多孔的结构为催化反应提供了巨大的表面积。

同时，按催化剂外形可分为蜂窝式、平板式，单比表面积一项参数而言蜂窝式催化剂远高于平板式。平板式催化剂比表面积一般为200～400m2/m3，蜂窝式催化剂比表面积则可达900m2/m3。

蜂窝式催化剂较平板式催化剂更容易受到大颗粒物的影响，从而直接减少反应面积。但SCR布置于除尘器后部则无需考虑大颗粒物对催化剂的影响。

随着运行时间的累计，烟气中的飞灰、碱金属微粒会逐渐覆盖、堵塞催化剂表面，从而降低催化剂比表面积。尤其是渗沥液浓液回喷焚烧炉带来的大量钠盐，对催化剂活性的影响显著。

1.3 脱硝效率

脱硝效率指在正常运行状态下，SCR系统出口氮氧化物浓度与原烟气中氮氧化物浓度的比值。

脱硝效率需根据整体工艺设置选择。如果设有SNCR系统，焚烧炉出口原烟气NOx浓度一般在150～200mg/Nm3，在设有备用催化剂层的情况下，脱硝效率可选择60%，在催化剂逐渐失效的情况下补充备用催化剂即可满足要求。

如果烟气处理系统未设置SNCR系统，则焚烧炉出口原烟气NOx浓度为300mg/Nm3，一般不设置备用催化剂层，并且催化剂脱硝效率应达到80%以上。

脱硝效率是一个综合性参数，受催化剂比表面积、活性、孔隙率等参数变化的影响。脱硝效率的降低并不能直接反应催化剂某一个参数的变化。

1.4 活性

催化剂活性指脱硝催化剂在氨基还原剂与NOx反应过程中所起到的催化作用的能力。

催化剂活性主要受烟气中重金属的干扰，比如气态砷化物、Pb、碱金属、碱土金属等。上述物质会逐渐深入进入催化剂内部，并进一步和其他物质反应，占用催化剂活性位置，降低活性[3]。一旦催化剂活性降低或者中毒则需要再生，或补充、更换新催化剂。

1.5 氨逃逸

氨逃逸指SCR反应器出口烟气中的还原剂（氨）的质量与烟气体积的比值。氨气未参与反应而直接逃逸是无法避免的，只能通过系统的优化调整尽量降低。

依据《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》（HJ 562-2010）氨逃逸应小于2.5mg/m3。氨逃逸的上升主要与喷氨系统各喷口流量不平衡、SCR内部流场发生变化、催化剂老化、催化剂中毒等原因有关。最常见的因素是喷氨系统各喷口流量不平衡导致。

2 运行中的注意事项

催化剂脱硝效率对SCR系统运行效果至关重要，运行中需要注意以下事项，否则将导致脱硝效率显著下降。

2.1 酸性气体浓度过高将导致催化剂中毒

由于垃圾焚烧厂将SCR催化剂布置于布袋除尘器下游，工艺上多选择高活性小截距的蜂窝型中低温催化剂，运行温度多在180℃至250℃之间。温度过低（低于230℃），烟气中的SO3会与氨结合生成硫酸氢铵，而硫酸氢铵是一种粘性极大的物质，会附着在催化剂表面，吸附飞灰，阻止催化剂与烟气接触，使得催化剂失效[4]。如SCR系统入口的SO2浓度长时间保持在50mg/Nm3以上，将大大缩短硫中毒的时间。

2.2 除尘布袋破损可能导致催化剂中毒

由于垃圾中成分的不确定性，原烟气中含有一定量的重金属、较多碱金属，重金属及碱金属均可导致催化剂活性显著降低。

烟气及飞灰中的重金属，尤其是《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）中控制的重金属汞、镉、铅、砷也是引起催化剂失效的重要因素之一。一旦发生破损，烟气及飞灰中的重金属将导致催化剂活性显著降低。所以运行中需要时刻关注烟气在线监测系统反馈的颗粒物浓度，出现异常后及时排查及时处置，系统停运后抽取试块对催化剂活性进行检测。

碱金属如果与催化剂表面接触，能够直接与活性位发生作用而使催化剂钝化[2]。由于渗沥液中含有大量的盐分，一般超滤产水的电导率在3-10毫西，主要物质为钠盐、钾盐。反渗透浓液回喷入焚烧炉将产生大量钠盐、钾盐的超细粉尘。虽然覆膜布袋可以过滤其中的99.9%，但随着运行时间的累积催化剂活性将逐渐衰减。所以运行中应尽量避免向焚烧炉炉膛回喷渗沥液等污水，尤其是渗沥液的反渗透浓液。

2.3 SCR停运、检修期间的管理

催化剂对液态水异常敏感，少量液态水即可引起催化剂活性下降。同时生活垃圾含水率较高，最高时可达65%，并且基本采用半干法脱酸技术，烟气湿度一般控制在18%-25%。一旦烟气窜入停运的SCR系统并冷凝，冷凝水将导致催化剂活性显著降低，即水中毒。故此启、停炉期间及SCR单独停运期间需要做好SCR系统的隔离，尤其需要注意SCR进出口风门密封风的温度和风量，避免湿烟气进入SCR系统。

2.4 催化剂再生应及时

发现烟气中氮氧化物不能持续稳定达标排放时应及时检测催化剂活性及脱硝效率。一旦发现活性显著降低、脱硝效率不足，应尽早查明原因并对催化剂进行再生。尽早查明原因并再生中毒的催化剂对催化剂活性的恢复至关重要。

3 结束语

采用SCR工艺脱除烟气中的氮氧化物需要做好催化剂的选择和运行维护。只有做好催化剂的选型和运行维护才能保证烟气中氮氧化物高效脱除，保证烟气达标排放。

參考文献：

[1]SZDB/Z 233-2017.深圳市生活垃圾处理设施运营规范[S].

[2]孙克勤，钟秦，于爱华.SCR催化剂的碱金属中毒研究[C]//第四界全国脱硫工程技术研讨会，2006.

[3]春国成.SCR脱硝催化剂反应活性探讨[J].东北电力技术，2016，37（1）：59-61.

[4]苏杭.SCR系统中板式和蜂巢式催化剂的选取[J].电力环境保护，2005，21（2）：27-29.