平板式催化剂在电厂高尘、高砷燃煤烟气脱硝中的应用

第３２卷第５期　

２０１０年５月　华电技术　

Ｈｕａｄｉａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖ０１．３２　Ｎｏ．５　

Ｍａｖ．２０１０　

平板式催化剂在电厂高尘、高砷燃煤　

烟气脱硝中的应用　

李锋，於承志，张朋，Ｈｏｌｇｅｒ　Ｍｉｃｈａｅｌｉｓ　

（雅佶隆陶瓷产品贸易（上海）有限公司，上海２０００３０）　

摘要：从平板式脱硝催化剂结构的角度出发，分析了平板式催化剂的特点，以某脱硝工程的催化剂选型和设计为实例，　论述了平板式催化剂在电厂高尘、高砷燃煤烟气条件对脱硝的适应性。　关键词：高尘、高砷燃煤烟气；烟气脱硝；平板式催化剂；适应性　

中图分类号：Ｘ　７０１．７　文献标志码：Ｂ　文章编号：１６７４—１９５１（２０１０）０５—０００８—０４　

１烟气脱硝项目背景　

中国氮氧化物污染形势严峻，北京、广州、上海　

和深圳等大城市二氧化氮浓度普遍较高，小时浓度　

超标时有发生且呈逐渐增加之势；ＮＯ　排放的快速　

增长部分抵消了我国在ＳＯ：减排方面的努力，酸雨　

性质由硫酸型向硫酸／硝酸复合型转变，硝酸根离子　

对酸雨的比率上升到１／３；此外，氮氧化物是臭氧生　

成的重要前驱物，是形成区域微细颗粒污染和灰霾　

的重要原因，它是我国珠江三角洲、长江三角洲等经　

济发达地区大气能见度日趋下降，灰霾天数不断增　

加的诱因之一…。　

电厂是我国最大的氮氧化物排放源。为了控制　

氮氧化物污染，国家和某些省（市）制定了更加严格　

的电厂排放标准，如北京规定新建锅炉１００　ｍｇ／Ｉｎ　

的排放标准…，上海新建锅炉２００　ｍｇ／ｍ　排放标　

准　ｊ，广州要求２０１０年亚运会前电厂全部安装烟气　

脱硝设施　Ｊ。国家环保部在《关于印发（２００９—　

２０１０年全国污染防治工作要点）的通知》中要求：京　

津冀、长三角和珠三角地区，新建火电厂必须同步建　

设脱硝装置，２０１５年年底前，现役机组全部完成脱　

硝改造　。２００９年６月，国家环保部发布了ＧＢ　

１３２２３－－２００９（火电厂大气污染物排放标准》新标准　

的征求意见稿，规定重点地区为２００　ｍｇ／ｉｎ　和非重　

点地区为４００　ｍｇ／ｉｎ　的氮氧化物排放标准　。面对　

日趋严格的氮氧化物排放标准，火电厂加装烟气脱　

硝装置势在必行。　

选择性催化还原ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃ－　

ｔｉｏｎ）法烟气脱硝具有效率高、选择性好、运行稳定　

可靠等优点，在世界范围内广泛使用。截至２００８年　

收稿日期：２０１０—０１—１３　底，我国已建、在建或拟建的５７４５０　ＭＷ烟气脱硝机　

组中，ＳＣＲ法占９６％，非选择性催化还原ＳＮＣＲ（Ｓｅ．　

１ｅｃｔｉｖｅ　Ｎｏｎ　Ｃａｔａｌｙｔｉｃ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）法占４％，ＳＣＲ法是　

我国将来烟气脱硝的主流技术。催化剂是ＳＣＲ法　

脱硝系统的核心，占总成本的３０％～５０％，直接决　

定着ＳＣＲ法脱硝系统盼陛能和投资运行成本。　

我国火电厂以燃煤为主，我国燃煤具有灰分含　

量高、成分复杂多变等特点，而且ＳＣＲ法脱硝系统　

几乎全部采用无旁路的结构。如何根据我国燃煤烟　

气条件选择合适的催化剂方案，对于保证ＳＣＲ法脱　

硝系统的安全可靠性，提高脱硝性能，降低初投资和　

运行成本等具有重要作用。本文分析了平板式催化　

剂特点和优势，以国内某烟气脱硝项目为例，探讨其　

在高尘、高砷燃煤烟气条件下的适应性，寻找适合高　

尘燃煤烟气条件下的催化剂方案。　

２平板式催化剂的特点　

电厂烟气脱硝的主流催化剂是平板式和蜂窝式　

催化剂。平板式催化剂采用与蜂窝式催化剂整体挤　

出烧制不同的制备工艺，以薄型不锈钢筛网板为基　

材，在不锈钢筛网板表面双面加压涂覆与蜂窝式催　

化剂类似的活性成分，随后制作出褶皱形状，机械手　

将单板组装成催化剂单元，催化剂单元煅烧后组装　

得到催化剂模块，如图１所示。由于平板式催化剂　

采用不锈钢筛网板作为支撑担体，使用加压涂覆工　

艺，断面为平行褶皱板结构，所以，平板式催化剂在　

防止飞灰堵塞、磨损和抗中毒等方面具有很大的优　

势，在高尘燃煤烟气脱硝占据很大的市场份额。　

２．１耐飞灰堵塞　

我国燃煤烟气粉尘质量浓度普遍很高，通常大　

于３０　ｇ／１ＴＩ　，极端情况甚至会超过５０　ｇ／Ｉｎ　。由于我　

国烟气脱硝系统均采用无旁路设置，一旦发生催化　第５期　李锋，等：平板式催化剂在电厂高尘、高砷燃煤烟气脱硝中的应用　。９・　

ｐｌａｔｅ　ｔｙｐｅ（板式）　ｂｉｎｄｅ“曲螗　ｌｌ　一　－Ｉ　｝　Ｉ　。　

赫　ｉｕｍ　ｐｅ越ｏｘｉ如ｌ　－　…　纛　０　，　ｈｏｎｅｙｃｏｍｂ　ｔｙｐｅ（蜂窝式）　

图１　平板式催化剂与蜂窝式催化剂制备工艺的比较　剂严重堵塞，必须停炉处理。为了保证锅炉连续稳　况下，使用平板式催化剂时，甚至可以考虑不使用吹　

定运行，对脱硝催化剂的防堵塞性能提出了较高的　灰器。　

要求。　脱硝催化剂的堵塞分为大颗粒飞灰堵塞和细灰　

搭桥堵塞。对大于催化剂节距的大颗粒飞灰（特别　

是爆米花飞灰），不管是蜂窝式催化剂还是平板式　

催化剂，只要被烟气携带到催化剂表面均会导致催　

化剂的堵塞。为防止大颗粒飞灰的堵塞，在脱硝系　

统设计中，一般会在催化剂上游合理安装灰斗、筛网　

等预除尘设备，以去除烟气中携带的粒径大于２．５　

ｍｍ的飞灰。在采取防止大颗粒飞灰堵塞措施后，　

需要重点防止催化剂顶部和内部通道的细灰搭桥堵　

塞，采取的基本措施是选择合适的催化剂类型和　

节距。　

高尘、高砷燃煤烟气条件虽然可以选择大孔径　

蜂窝式催化剂，但其比表面较小，为了保证脱硝活　

性，所需的体积与平板式相当，甚至更大。当烟气中　

飞灰的质量浓度大于３０　ｇ／ｍ　时，即使采用大节距　

蜂窝式催化剂，堵塞概率仍然很高，为了保证系统的　

连续稳定运行，通常须使用平板式催化剂。　

与蜂窝式催化剂相比，平板式催化剂具有更强　

的抗灰堵性能，这除了与平板式催化剂通流面积大、　

大颗粒飞灰堵塞风险小之外，更主要的是因为平板　

式脱硝催化剂具有轻薄的不锈钢筛网作为支撑结　

构。这种结构与ＮＦ型空气预热器类似，如图２所　

示。当有烟气流经催化剂表面时，会发生持续不断　

的轻微振动，将粉尘振离催化剂表面，其作用与声波　

吹灰器类似，细灰不容易在催化剂表面发生架桥效　

应，大大降低催化剂表面细灰聚集架桥引起催化剂　

堵塞的风险。在烟气中，在粉尘浓度不是很高的情　与空气于贞热器ＮＦ型板相似的　板式脱硝催化剂单板结构　

图２平板式脱硝催化剂结构　

２．２耐磨损　

在燃煤高灰、高砷烟气条件下，催化剂的磨损主　

要包括顶部磨损和内部通道磨损。对于蜂窝式催化　

剂而言，虽然顶端硬化加固可部分解决催化剂的顶　

部磨损问题，但对内部磨损却无能为力。实践经验　

表明，催化剂的内部通道磨损不可忽视，在极高尘条　

件下，即使使用顶端加固硬化，如果催化剂过薄，仍　

存在由于内部通道过度磨损而断裂的风险。在极高　

尘条件下，使用顶端硬化加固薄壁催化剂的方案是　

非常危险的。　

平板式催化剂由于自身的特点，不管对顶端磨　

损还是内部通道磨损，都有很强的承受力。对于顶　

端磨损而言，由于平板式催化剂内部的不锈钢筛网　

的有效阻挡，使粉尘不会像蜂窝式催化剂那样持续　

不断地对催化剂活性材料造成攻击，如图４所示。　

对于内部通道磨损，由于平板式催化剂采用了加压　

涂覆工艺，而且粉体中使用了玻璃纤维等强化材料，　

催化剂表面活性材料的抗屈服强度与蜂窝式催化剂　

相当，而且由于平板式催化剂内部具有不锈钢筛网　

板的支撑，即使局部表面活性成分有较多的流失，仍　

可以保持较好的机械强度，不会像蜂窝式催化剂　

那样断裂而造成破坏。　

２．３　耐砷中毒　

我国燃煤中砷含量较高，催化剂的选型设计需　・ｌ０・　华电技术　第３２卷　

蜂窝式　

图３平板式和蜂窝式催化剂耐磨损比较　考虑砷中毒的影响。众所周知，ＳＣＲ催化剂布置在　

省煤器和空气预热器之间，在该区间，Ａｓ　Ｏ　以蒸汽　

形式存在。当烟气通过催化剂表面时，其中的　

Ａｓ　Ｏ　蒸汽会吸附到催化剂表面并渗透进入催化剂　

内部，与催化剂中的Ｖ　Ｏ　活性物质反应，生成一种　

对脱硝反应无活性的聚合物（催化剂砷中毒机理如　

图４所示）　。　

Ａｓ２Ｏ３　Ｏ２　ｌ　Ｉ　ｔ　●　

图４脱硝催化剂砷中毒机理　

２０世纪８０年代，ＳＣＲ脱硝催化剂进入欧洲时　

遇到了液态排渣炉砷中毒的难题，庄信万丰雅佶隆　

公司（以下简称雅估隆公司）进行了深入研究，开发　

出了耐砷中毒的平板式催化剂。具体措施主要是在　

催化剂中添加大量ＭｏＯ　作为助催化剂，当Ａｓ：Ｏ，　

蒸汽通过催化剂时会优先与ＭｏＯ，结合，降低Ａｓ　Ｏ。　

与Ｖ　Ｏ　结合的概率，从而有效延长催化剂的使用　

寿命　，而蜂窝式催化剂由于采用纯陶瓷结构，无　

法添加大量ＭｏＯ　，否则，会造成催化剂机械能力下　

降，所以，在高砷烟气脱硝中平板式催化剂是唯一选　

择。图５为ＷＯ，／ＴｉＯ　基蜂窝式催化剂与ＭｏＯ。／　

ＴｉＯ　基平板式催化剂在不同砷浓度情况下的失活　

情况，平板式催化剂在抗砷中毒方面明显优于蜂窝　

式催化剂。　

２．４抗中毒性能强　

脱硝催化剂的毒物大多来源于飞灰，如飞灰中　

的ＣａＯ，Ｋ：Ｏ，Ｎａ２０等，所以，催化剂的失活速度主　

要取决于飞灰在催化剂表面的沉积速度。由于平板　

式催化剂自身通流面积较大，并且采用薄型不锈钢　

筛网板作为担体，当烟气流经催化剂表面时，催化剂　

会发生持续不断的振动，飞灰不易在催化剂表面沉　

积，所以，平板式催化剂的抗中毒能力比蜂窝式催化　图５　ＷＯ３／ＴｉＯ２基催化剂与ＭｏＯ３／ＴｉＯ２　

基平板式催化剂砷中毒性能比较　

剂好很多。　

在高尘、高砷烟气条件下，蜂窝式催化剂为了应　

付更多的催化剂中毒，必须提高设计余量，增加催化　

剂体积，才能保证在催化剂寿命末期，达到脱硝催化　

剂的性能保证值。　

２．５灵活的催化剂添加更换策略　

平板式催化剂采用不锈钢筛网板作为担体，具　

有更大的机械强度，催化剂单元可以直接叠加，所以　

平板式催化剂具有比蜂窝式催化剂更加灵活的添加　

更换策略。虽然ＳＣＲ空间布置仍按照“２＋１”方案　

进行，但是，在运行时可根据需要采用更加灵活的　

“１．５＋０．５＋０．５”的方案。该方案具有以下２个　

优点：　

（１）使用寿命长。由于初装为１．５层，可避免　

多余的０．５层催化剂在２４０００　ｈ内飞灰的冲刷和中　

毒影响，最大限度延长催化剂的使用寿命，降低脱硝　

催化剂添加和更换的均化成本，减少投资运行费用。　

（２）压降低。平板式催化剂通流面积较大，再　

加上当初只使用１．５层的体积，压降明显低于蜂窝　

式催化剂的方案，可节省电耗，降低运行成本。　

３　平板式催化剂在高尘、高砷烟气条件下应　

用案例　

雅佶隆公司平板式催化剂在世界范围内高尘燃　

煤烟气条件下得到广泛应用，在我国也取得了不俗　

的业绩。高尘、高砷的典型案例包括某电厂２×６６０　

ＭＷ　ＳＣＲ烟气脱硝工程的催化剂业绩。该项目脱硝　

系统以液氨为还原剂，ＳＣＲ反应器布置在省煤器和　

空气预热器之间，为单炉双反应器，系统无烟气旁路　

和省煤器旁路。烟气流量为单炉１　８８９　６４０　ｍ　／ｈ　

（ＢＭＣＲ工况），灰尘质量浓度高达４１．４　ｇ／ｍ　，入口　

ＮＯ　质量浓度４５０ｍｇ／ｍ　，煤中砷的质量分数最高为　

０．００４％。性能保证值，脱硝率不小于７５％；氨逃逸　

率，≤３×１０。。。；ＳＯ２／ＳＯ３转化率，＜１％；催化剂层压　

降，２１０Ｐａ；催化剂寿命，２４０００ｈ；机械寿命，不少于　一　一　Ｏ　舡●Ｏ　ｖ　０　０　一　一　Ｏ　＿。　ｖ　０　Ｏ　一　一　Ｏ　舡，　Ｏ　ｖ　一　一　一　Ｏ　Ｖ　—　Ｏ　—　Ｈ●Ｏ　Ｖ　～　Ｏ　一　０