托普索SCR脱硝技术及其催化剂在中国燃煤电厂的应用
摘要：针对中国的燃煤电厂通常燃煤含灰量大的特点，合理地设计SCR反应器和选择适合的催化剂至关重要。高飞灰浓度存在着导致催化剂被堵塞和磨损的风险，为避免这一风险，需要认真选择催化剂并做好关键设备的设计（如：反应器、烟气整流器和烟道内部构件），以确保烟气和飞灰的均匀分布。设计还必须基于全面和正确的流场模拟，如：CFD（计算流体力学）和实体模型。
在选择合适的催化剂型号时，必须对各种设计性能参数的影响作出评定，尤其是针对中国燃煤特性，在催化剂选择上更要考虑催化剂活性位潜在的积灰，以及继而发生飞灰中高CaO含量所引起的失活。
本文概括地介绍了托普索公司脱硝技术及其催化剂结构和性能的特点，并对广东台山电厂60万千瓦机组和山西阳城电厂60万千瓦机组等电厂的SCR脱硝工程进行了简单介绍。
关键词：SCR托普索脱硝催化剂 多孔结构 流场模拟 星形混合器
1.概述
历经数年发展，对燃煤锅炉烟气脱硝效率的要求已从80%左右提高到现在许多项目所要求的90%，甚至更高。为了确保设计一套可靠的脱硝系统，使其始终保持理想的脱硝效率并同时保证氨逃逸最小化，在对系统中关键设备进行设计时，要充分考虑系统的实际运行条件，要求把工艺技术、催化剂技术和工程设计几个方面紧密结合起来。
2.脱硝技术简介
SCR脱硝工艺的反应原理是氨与NOx在催化剂表面上进行催化氧化还原反应，生成无害的氮气和水，反应过程不会造成二次污染物。
若不安装催化剂，上述反应要在均匀混合的气相中900-1100℃温度条件下才能发生。而在SCR脱硝工艺中，催化剂存在条件下化学反应发生的典型温度为250-450℃。若使用特殊催化剂，工艺反应温度还可以降至约200℃，也可以高至约550℃。
为取得系统设计要求的脱硝效率和NH3逃逸量限值，在设计中考虑充分地利用催化剂、尽可能使氨在烟气中均匀分布是非常重要的。反应器入口的烟气分布系统要确保烟气在反应器截面上的均匀分布，以确保有效利用催化剂。
催化剂选型必须考虑烟气特点和运行参数范围，但是确保催化剂实现最佳催化效果的先决条件是正确设计关键设备，如：SCR反应器、烟道内部构件和喷氨系统，确保催化剂层均匀的烟气流动条件以及氨和烟气的均质混合是至关重要。通过CFD和实体模型对SCR脱硝装置进行流场模拟是达到这一目的必不可少的手段。
3.托普索公司的脱硝催化剂
SCR脱硝工艺的核心是催化剂，喷入的氨与烟气中的NOx在催化剂表面上反应生成氮气和水蒸汽。通常采用的催化剂全是以多孔二氧化钛作为载体，起催化作用的活性成份五氧化二钒和三氧化钨分布在其表面。我公司脱硝催化剂具有不同的型号、不同的通道尺寸（通常叫节距）、壁厚和化学成份，根据实际运行工况进行选型。节距和壁厚受烟气中灰量的影响，燃煤锅炉脱硝系统一般采用大通道、最小壁厚0.8mm的催化剂。
3.1催化剂中毒和设计中需要考虑的因素
在燃煤锅炉高含灰烟气SCR系统中，催化剂随着活性的损失渐渐老化，主要是因为接触烟气中的飞灰。催化剂性能退化速率的估计、使用寿命的确定和催化剂的装填设计必须考虑它的运行环境，如：毒物特性、灰尘浓度和潜在的磨损等，归结如下：
飞灰成份对催化剂活性位的化学和物理影响，通常指催化剂中毒；
非常细的飞灰颗粒在催化剂表面沉积，会堵塞进入催化剂活性位的通道或减少其活性表面积；
催化剂孔中的硫酸氢氨冷凝液的抑制，会减小活性表面积；
催化剂孔的热降解（烧结）会减小催化剂活性表面积；
催化剂通道的堵塞减少了所装载催化剂的有效体积；
若SCR反应器中烟气流动不均匀，飞灰中的颗粒会造成催化剂磨损。
如果脱硝系统设计不合理，任何类型的催化剂，如：板式、挤压蜂窝式或波纹蜂窝式，都可能被磨损。
SCR脱硝系统催化剂选型设计需要考虑以下因素：
要求的脱硝效率；
反应器出口烟气中未反应氨气（氨逃逸）的最大容许量；
为避免后续设备不受硫酸氨影响，系统可接受的最大SO2/SO3氧化率；
催化剂理想寿命和基于烟气中灰量和其它成分得出的催化剂预期失活速率。
很显然，只有全面了解这些因素对催化剂性能的影响，才能选出最适合的催化剂型号。合理设计催化剂工艺，才能保证催化剂的最佳性能和最长的寿命。
3.2托普索公司催化剂特点
托普索公司创立于1940年，拥有其自行开发的各种催化剂和工艺技术。公司在不断发展的基础上，还潜心致力于大量的研发工作，为各种运行工况条件提供最适合的催化剂。托普索公司拥有各种类型的催化剂制造技术，但在电厂烟气脱硝系统中主要采用其脱硝专用波纹蜂窝催化剂，该催化剂集合了板式和挤压蜂窝式催化剂的优点，对防止各种原因导致的催化剂中毒具有很好的抵抗能力。其优点概括如下：
1）由于托普索公司催化剂独特的制造工艺，催化剂基板采用加固玻璃纤维，比金属板式催化剂或挤压蜂窝式催化剂重量要轻许多。由于重量轻，其运输、吊装都很方便，且对于SCR反应器钢结构和地基的荷载比较小；
2）由于托普索脱硝催化剂的孔型为不规则形状，采用独特的波纹状，所以其比表面积很大，且孔隙大小分布呈现多样性。大、中、小孔隙按一定比例分布。试验研究和实际运行经验均证明了该催化剂结构对增加表面活性位，减少表面SO2氧化活性位是非常有利的。
3）根据显微镜观察显示，托普索催化剂具有三种大小不等的孔隙结构，分别为100A、1000-2000A和50000A。对于各种类型的催化剂，通常观察到的砷气多聚集在微孔内。所以与其它类型催化剂相比，托普索公司独特的孔隙结构能大大减少砷气聚集，从而减缓对催化剂的毒化；
4）由于具有柔韧的纤维结构，这种催化剂可以在高温下运行，具有非常好的抗热应力的能力。催化剂的边缘经过加固，可以抵御含尘烟气的磨蚀。催化剂运行温度在220-450℃范围内，可抵御800-900℃的高温环境。催化剂可承受的最大温升可达150℃/min，这是其它类型催化剂所无法相比的。
4.流场模拟
SCR反应器、烟气通道、喷氨和混合系统的正确合理设计，是催化剂实现最佳性能的必要前提。在高尘脱硝装置中，必须采取措施确保催化剂层的理想烟气条件，以避免上述的催化剂堵塞或磨损所造成的损失。
运用CFD或实体模型进行烟气流场模拟已被证实是达到上述设计的有效且必要的工具。模型工作通常的目的是：
确保喷氨之前烟气流速高度均匀
验证烟气与氨的混合效果
在给定的约束条件下优化烟道和反应器的布置
开发并优化必要的流量控制装置
确保第一层催化剂入口处烟气速度高度均匀
确保烟气流动与垂直流动方向夹角的偏差最小
确保不增加沉积灰量
使系统压降最低
尽管使用功能强大的计算机进行计算流体力学模拟更快捷有效，但对飞灰的运动（如：沉积和二次夹带）进行模拟的理论基础仍很薄弱，而且导流板的优化经常需要反复。所以对于高尘脱硝系统设计，要实现预防灰沉降和磨损这些主要目标，通常采用行之有效的实体模型方法。
5.托普索公司工业应用经验
托普索DNX催化剂已在世界上不同煤种的项目中应用过，拥有381个项目业绩。所有项目的实际运行情况均证明催化剂中砷的聚积量对托普索催化剂的性能影响并不明显。实验室研究表明，吸附气相中超过1%（重量）的砷，催化剂活性只降低10%。对一些使用DNX催化剂的高尘SCR装置中的砷聚积和失活速率进行了监测，证实了DNX催化剂具有抵抗砷中毒这一特性。
5.1阳城电厂二期工程烟气脱硝项目
山西阳城电厂二期工程8号600MW机组燃用的无烟煤来自山西阳城当地煤矿。按进度要求，SCR脱硝装置在2007年初启动运行。托普索公司为该项目提供催化剂和脱硝系统设计，以及为验证设计所需进行的实体模型。基本设计数据如下：
600MW
烟气流量2,300,000Nm3/h
两层DNX催化剂
1300mg/Nm3NOx
含灰量<20g/Nm3
80%脱硝效率
氨逃逸<3ppm
SO2氧化率<1.0%
有SCR旁通
5.2国华台山热电厂
台山电厂目前有5×600MW燃煤机组，托普索公司为其5号机组设计了SCR脱硝系统，预期在2006年启动运行。托普索公司为其脱硝系统提供催化剂、系统关键设备和系统设计，包括实体模型试验。基本设计数据如下：
600MW
烟气流量1,900,000Nm3/h
两层DNX催化剂
550mg/Nm3NOx
灰量14g/Nm3
高达94%的脱硝率
氨逃逸<3ppm
SO2氧化率<0.75%
该项目在选用催化剂时特别考虑了灰中高钙成分(28.9%CaO)的影响，美国PRB煤项目中遇到过类似的高含钙量的设计情况。氧化钙会与烟气中SO3反应生成石膏CaSO4而覆盖催化剂表面，由于托普索脱硝催化剂具有三种孔径分布，具有非常高的抵抗“中毒”的能力，包括由灰中高含钙量所引起的“中毒”，即使表面有大量的石膏覆盖，还会有到达活性位的可用通道。
该系统设计保证脱硝效率为94%，氨逃逸只有3ppm，实现这一设计需要催化剂具有高性能且对氨/NOx混合的要求更高。当要求高脱硝效率和低氨逃逸时，系统设计要素达到适宜平衡是非常关键的。对脱硝效率和氨逃逸量的要求越严格，对氨和烟气（NOx）混合的要求越高。
托普索公司开发了专有混合装置----星形混合器，由一些形状为带四角星的圆盘组成。星形混合器按照一定的角度安装在烟气中，使盘后气流形成涡流。该装置实现了短距离内的最佳混合效果，且压损很小。
形混合器，并结合认真地流场模拟，可以使系统在达到94%脱硝效率、3ppm氨逃逸量所需的理想混合效果的同时，系统压损小于339Pa（不包括催化剂层压降）。
6.结论
NOx排放法规的要求越来越严格，为了在燃煤锅炉高灰份情况下，仍然实现SCR脱硝装置的高脱硝效率并保持最小的氨逃逸量，认真选择催化剂类型和正确设计系统是至关重要的。
托普索公司脱硝催化剂是经过实际运行验证过的具有非常好的抵抗中毒能力的催化剂。系统设计充分考虑各种因素的影响，如：煤的高灰分、灰中含钙、碱金属等。系统还配备有效的催化剂清灰系统。在验证高尘SCR系统设计合理性时，还应用烟气流场模拟方法。流场模拟有两种方式，一种是CFD模拟，另一种是实体模型模拟。在设计阶段应用实体模型模拟可以验证烟气流速分布均匀性，确定烟气流动调节装置的布置，评估飞灰的沉积和分布状况。
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