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行業(yè)動(dòng)態(tài)
淺論SCR低溫脫硝催化劑在含硫低溫?zé)煔庵械倪\(yùn)行以及相關(guān)案例
來(lái)源:發(fā)布時(shí)間:2022-07-20瀏覽次數(shù):3918

    1、前言

    隨著SCR脫硝催化劑生產(chǎn)技術(shù)及配方的更新,催化劑適應(yīng)溫度區(qū)間也逐漸向低溫發(fā)展,目前市場(chǎng)上出現(xiàn)更多催化劑廠商向市場(chǎng)供應(yīng)低溫產(chǎn)品。低溫條件下如何將催化劑活性效率得到提升,也是目前各催化劑廠商研究的重點(diǎn)方向。

    縱觀國(guó)內(nèi)低溫脫硝催化劑產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)形式上區(qū)分以蜂窩式類(lèi)型為主,從催化劑活性配方區(qū)分以釩系催化劑、錳基催化劑、鐵基催化劑為市場(chǎng)主體。

催化劑在低溫?zé)煔庵羞\(yùn)行時(shí),煙氣組成中SO2的存在成為制約催化劑在低溫區(qū)使用的關(guān)鍵因素,如何有效解決SO2對(duì)催化劑的影響是催化劑研究的一個(gè)重點(diǎn)課題。

    2、低溫催化劑配方調(diào)整

    與傳統(tǒng)的高溫SCR脫硝催化劑相比,低溫催化劑在配方上進(jìn)行適量的調(diào)整,并對(duì)催化劑中活性組份占比進(jìn)行增加。以釩基催化劑為例,高溫催化劑V2O5含量通常為0.8~1%左右,在低溫條件下考慮催化劑本身活性K值受著熱動(dòng)力的影響,在有效的催化劑表面積條件下,增加V2O5含量能有效提高催化劑的脫硝效率,據(jù)相關(guān)催化劑檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,V2O5含量高達(dá)1.96~2.02%。

    3、煙氣組份中SO2對(duì)催化劑的影響

    SO2對(duì)催化劑影響主要存在最重要的兩個(gè)方面,一是在催化劑脫硝反應(yīng)過(guò)程中,需要還原劑NH3與氮氧化物NOX在催化劑表面,通過(guò)催化劑的作用加速反應(yīng),通常是煙氣溫度越高,反應(yīng)的速率就越快。當(dāng)煙氣組份中含有液態(tài)水存在的瞬間,水可以吸收SO2和NH3從而生成硫酸氨(NH4)2SO4,硫酸氨通常在280℃以上時(shí)逐漸分解,當(dāng)整套系統(tǒng)中若硫酸氨生成速率小于分解速率時(shí),此時(shí)對(duì)催化劑影響最小,反之硫酸氨會(huì)隨著煙氣進(jìn)入催化劑表面微孔,造成催化劑比表面下降從而影響脫硝效果,嚴(yán)重時(shí)易造成催化劑失活。

    另一方面,傳統(tǒng)的V2O5/TiO2催化劑在進(jìn)行脫硝反應(yīng)的同時(shí),在高溫下會(huì)將大約0.3%-2%的SO2氧化成SO3,低負(fù)荷時(shí)SO2氧化率會(huì)更高。SCR煙氣脫硝過(guò)程中,在一定條件下SO3與煙氣中的氨以及水可生成硫酸氫氨(ABS)和硫酸銨(AS),二者的產(chǎn)生量取決于NH3和SO3的比例。理論上講,當(dāng)NH3/SO3摩爾比大于2時(shí),只生產(chǎn)AS;當(dāng)NH3/SO3摩爾比小于1時(shí),只生成ABS;當(dāng)NH3/SO3摩爾比介于1和2之間時(shí),會(huì)生成ABS和AS的混合物。ABS的揮發(fā)溫度為173.7℃,當(dāng)溫度高于323.59℃時(shí)ABS會(huì)大量揮發(fā),因此ABS導(dǎo)致催化劑表征活性下降時(shí)采用在線熱解析的方式處理,屬于可逆性失活。

    液態(tài)的ABS具有強(qiáng)酸性和吸濕性,是一種粘性很強(qiáng)的物質(zhì),在煙氣中會(huì)粘附粉塵。ABS與粉塵相互作用,使得粉塵中的小顆粒長(zhǎng)大,最終導(dǎo)致催化劑的孔隙和孔道被堵塞,降低催化劑的比表面積,催化劑的表征活性下降。

    同時(shí)由于ABS吸附粉塵后導(dǎo)致粉塵在催化劑表面長(zhǎng)時(shí)間停留,粉塵中可能存在的堿金屬向催化劑酸性位遷移,從而占據(jù)催化劑酸性位。對(duì)于傳統(tǒng)的V2O5/TiO2催化劑,堿金屬與V2O5反應(yīng)生成復(fù)式釩酸鹽,催化劑活性下降,且不可逆。

    4、改進(jìn)措施與手段

    面對(duì)上述情況,眾多環(huán)保企業(yè)推出相應(yīng)的改進(jìn)措施與方案,具體主要體現(xiàn)在以下方面:一是,通過(guò)改過(guò)變工藝路線來(lái)調(diào)整進(jìn)入SCR脫硝的煙氣條件,為保護(hù)催化劑達(dá)到最大的性能效果,避免SO2給催化劑帶來(lái)的影響,在低溫SCR脫硝工序前設(shè)置脫硫裝置,且為保證進(jìn)入脫硝的煙氣溫度,通常選用半干法或干法脫硫系統(tǒng),利用布袋除塵器將脫硫后的產(chǎn)物及煙氣中的其它對(duì)催化劑有害的物質(zhì)收集下來(lái),凈化后的煙氣進(jìn)入脫硝系統(tǒng)后進(jìn)行脫硝處理。在凈煙氣中脫硝反應(yīng)可延長(zhǎng)催化劑的使用壽命,但其改變不了如3所述的根本問(wèn)題。相對(duì)而言,硫越低對(duì)低溫脫硝催化劑影響越小。

    二是,通過(guò)增加催化劑相關(guān)助劑來(lái)抑制煙氣中的SO2生成SO3,改變催化劑活性位,在含SO2、NOX以及還原劑NH3煙氣通過(guò)催化劑表面時(shí),有條件的選擇截取NOX和NH3進(jìn)行轉(zhuǎn)化,減少SO2在表面的停留,亦能有效避免SO3的形成,從而降低催化劑中毒的風(fēng)險(xiǎn)。

    綜上所述,低溫催化劑的抗硫性研究仍然是一個(gè)重大的課題,需要從事催化劑研發(fā)生產(chǎn)單位對(duì)催化劑相關(guān)配方進(jìn)行調(diào)整,增加有效的抗硫成份,減少SO2轉(zhuǎn)化SO3,對(duì)催化劑起重要的保護(hù)措施。目前市場(chǎng)上的錳基催化劑在這一方面具有領(lǐng)先的地位,在多套裝置中得以應(yīng)用,特別在前脫硝工藝中得到了認(rèn)證。

就目前錳基催化劑在低溫含硫煙氣中的應(yīng)用,列出下述項(xiàng)目進(jìn)行分析:

    5、項(xiàng)目情況

    貴州某某玻璃有限公司GZ3-4#脫硫除塵脫硝項(xiàng)目采用工藝:GGH+NID半干法脫硫+布袋除塵+GHH+低溫SCR脫硝+引風(fēng)機(jī)+煙囪凈煙氣排放。該套工藝中考慮玻璃窯爐煙氣成份的復(fù)雜性,其中SO2含量高達(dá)1500mg/Nm3,NOX含量3500 mg/Nm3,所以采用先脫硫工藝,將煙氣中的有害成份及SO2脫除,并利用布袋除塵器將脫硫后的產(chǎn)物進(jìn)行收集。經(jīng)過(guò)脫硫系統(tǒng)后,煙氣中SO2降至100 mg/Nm3左右,通過(guò)GGH換熱至180℃以上送至低溫SCR脫硝系統(tǒng)中。

    脫硝工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如下:脫硝裝置設(shè)計(jì)入口溫度范圍為180℃、 NOX入口量≤3500mg/Nm3、SO2入口量≤100 mg/Nm3、粉塵入口量≤30 mg/Nm3,脫硝裝置出口NOX排放量≤400mg/Nm3,脫硝總體效率>90%。

    6、實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)

    該套脫硝裝置于2020年10月30日正式進(jìn)入調(diào)試階段,從脫硝系統(tǒng)控制系統(tǒng)調(diào)出相關(guān)數(shù)據(jù)如下:

    脫硝床層溫度約在188-195℃,未噴氨前煙氣中的NOX值在2800-3400 mg/Nm3左右,脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)SO2含量在90-100 mg/Nm3左右。如下圖所示:

系統(tǒng)停氨后的界面與NOX曲勢(shì).jpg

圖1 系統(tǒng)停氨后的界面與NOX曲勢(shì)

    脫硝系統(tǒng)正常加氨后,NOX出口值明顯下降,調(diào)試過(guò)程中主要測(cè)試系統(tǒng)中脫硝最大的脫硝效果和煙氣經(jīng)過(guò)脫硝后SO2變化數(shù)據(jù)調(diào)整。

    2020年11月1日,經(jīng)過(guò)測(cè)試該套系統(tǒng)脫硝最終出口值小于100mg/Nm3,如圖下圖所示:

系統(tǒng)運(yùn)行界面圖及出口NOX值.jpg

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行界面圖及出口NOX值

氨增加調(diào)整后NOX下降曲線.jpg

圖3 氨增加調(diào)整后NOX下降曲線

    脫硝投入后,SO2基本無(wú)變化,驗(yàn)證催化劑抗硫性,如下圖所示:

NOX值在800左右時(shí)的波動(dòng)曲線及出口SO2值.jpg

圖4 NOX值在800左右時(shí)的波動(dòng)曲線及出口SO2值

NOX值在150左右時(shí)的波動(dòng)曲線及出口SO2值.jpg

圖5 NOX值在150左右時(shí)的波動(dòng)曲線及出口SO2值

NOX波動(dòng)曲線及SO2值.jpg

圖6 NOX波動(dòng)曲線及SO2值

    調(diào)試結(jié)論:脫硝效果滿(mǎn)足協(xié)議要求,正常NOX平均值控制在300mg/Nm3,最小值可調(diào)至100mg/Nm3以下,系統(tǒng)投入氨后SO2值無(wú)明顯變化,檢查催化劑硫轉(zhuǎn)化情況良好,新抗硫配方驗(yàn)證成功。

    7、結(jié)論

    低溫?zé)煔饷撓豕に囍?,脫硝催化劑仍是關(guān)鍵核心部件,如何選擇低溫活性效率高,在低溫條件下能有效控制SO2對(duì)催化劑的影響,這是選擇及評(píng)判催化劑優(yōu)異的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的煙氣工況設(shè)計(jì)時(shí),催化劑還需要考慮到整體工況條件,比如脫硫系統(tǒng)布袋除塵器損壞后,帶來(lái)的大量含脫硫產(chǎn)物粉塵會(huì)進(jìn)入催化劑床層,選擇合理的孔數(shù)保證煙氣的通暢,避免選擇多孔催化劑造成堵塞。對(duì)于煙氣中高NOX存在時(shí),應(yīng)計(jì)算足夠的比表面積,保證整個(gè)脫硝的效率。低溫條件時(shí),催化劑的活性K值一般比例低,通常在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮,并留有冗余量來(lái)保證煙氣流場(chǎng)的不均勻性。

    實(shí)際的低溫?zé)煔夤r中無(wú)法做到SO2為零,傳統(tǒng)V2O5/TiO2催化劑硫中毒及其他相關(guān)的負(fù)面影響不可避免。低溫耐硫催化劑的成功應(yīng)用必將成為脫硝工藝選擇的更有利條件,能減少設(shè)備投資、減少能源消耗,將成為眾多行業(yè)的首選。

    錳基催化劑新一代配方進(jìn)行調(diào)整后,在180-260℃條件范圍工況運(yùn)行時(shí)能有效適應(yīng)含硫500-3000mg/Nm3的煙氣,催化劑活性效率高達(dá)95%,脫硝效率可適應(yīng)85-95%以上。

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