為拓寬SCR催化劑的工作溫度，研究寬溫度窗口SCR催化劑在實際煙氣條件中的應用對燃煤機組適應負荷波動、實現氮氧化物的超低排放具有重要意義。

通過5×104m3/h的燃煤煙氣污染物脫除試驗平臺，研究了Zn-W/TiO2寬溫度窗口SCR催化劑在不同溫度窗口下的脫硝性能、氨逃率及連續(xù)運行300h后催化劑效率及阻力的變化。

結果表明:該催化劑在275～320℃性能穩(wěn)定，當催化劑層溫度為275℃、入口ρ(NOx)為115.00～130.00mg/m3時，可保證NOx出口濃度＜20mg/m3。NH3逃逸在低溫窗口運行時略高于常規(guī)溫度窗口，但仍＜2.50mg/m3。綜合各項指標分析，建議該催化劑運行效率＜91.0%。

選擇性催化還原(SCR)技術是燃煤電站應用最廣的脫硝技術，其核心是催化劑，催化劑的費用占脫硝總費用的30%～60%。

現階段，工業(yè)化主要是以V2O5為活性成分、W和Mo為助劑的SCR催化劑，該催化劑工藝上多布置在燃煤鍋爐省煤器之后、空氣預熱器之前，具有很高的脫硝活性。

但是，目前燃煤發(fā)電機組長期處于低負荷運行，SCR系統(tǒng)中煙氣溫度較低，導致催化劑的活性受到較大影響，嚴重時脫硝系統(tǒng)需要退出。因此，向低溫方向拓寬催化劑的工作溫度窗口成為煙氣脫硝領域研究的熱點。

寬溫度窗口SCR催化劑的研究多集中在理論基礎研究上，Mn、Fe、Cu、Ce、Zn等元素的氧化物作為活性物質，表現出良好的低溫脫硝活性。

CeO2因具有較好的儲氧能力及氧化還原能力，有利于NO和NH3在催化劑表面的吸附反應;GaoXiang等研究了Ce-Cu/TiO2復合氧化物催化劑，當氮氧化物入口濃度為1300mg/m3時，該催化劑的脫硝效率在250～350℃溫度窗口內可達到90%以上。

Mn系催化劑低溫活性較好，但其溫度窗口一般較窄，抗SO2/H2O性能也較差;曹蕃等通過添加其他活性物質來改善Mn系催化劑的性能，研究成果顯示，Mn-Ce-Zr/γ-Al2O3催化劑在250～300℃下的脫硝效率可以達到95%，并且具有較好的空速變化適應能力和抗SO2/H2O中毒性能。

過渡金屬元素在NH3-SCR中的研究也較多，SherAli發(fā)現在n(Cu)∶n(Ce)∶n(Zr)為2∶3∶5時，催化劑具有較高的脫硝效率;YuanEnHui等發(fā)現Zn/ZSM-5催化劑在較寬的溫度范圍內表現出很好的脫硝活性。

沈伯雄等發(fā)現Fe和Cu等過度金屬氧化物的添加有助于提高MnOx-CeOx/ACF低溫催化劑的抗硫性能。

此外，制備方法也是影響催化劑脫硝活性的重要因素之一，單步溶膠－凝膠法制備的CeO2/Al2O3、CeO2/TiO2和MNOx/TiO2催化劑比浸漬法和共沉淀法制備的表現出更好的脫硝性能。

但是，前人對寬溫度窗口SCR催化劑的研究多停留于基礎研究，缺少應用實踐，實際燃煤鍋爐因煤質不同、燃燒狀況多變、煙氣成分復雜，對催化劑性能的影響較大。

因此，研究寬溫度窗口SCR催化劑在實際煙氣條件中的應用對燃煤機組適應負荷波動、實現氮氧化物超低排放具有重要意義。

本文通過5×104m3/h(350℃，101.325kPa大氣壓)的燃煤煙氣污染物脫除試驗平臺，研究Zn-W/TiO2寬溫度窗口SCR催化劑在不同溫度窗口下的脫硝性能、氨逃逸率及連續(xù)運行300h后催化劑效率及阻力的變化，為寬溫度窗口SCR催化劑在負荷波動較大的燃煤機組煙氣脫硝中的應用提供參考。

試驗方法

1.1試驗系統(tǒng)及方法

本文試驗平臺建于國華電力公司三河電廠，煙氣從該電廠3號機組(300MW亞臨界燃煤供熱機組)省煤器后引出，依次經過SCR脫硝系統(tǒng)、吸附噴射脫汞系統(tǒng)、低低溫靜電除塵器、高效脫硫系統(tǒng)及濕式機電耦合除塵器后回到3號機組脫硫吸收塔入口，系統(tǒng)滿負荷時煙氣量為5×104m3/h(350℃，101.325kPa大氣壓條件)。

催化劑設計共3層，上2層為寬溫度窗口SCR催化劑，第3層為協同汞氧化SCR催化劑，本次試驗投入第1層和第2層。氨氣稀釋比例＜5%。

為研究催化劑在不同溫度下的脫硝性能，SCR系統(tǒng)前設計安裝了煙氣換熱器，可調節(jié)SCR入口煙氣溫度。SCR系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)設計參數如表1所示。

圖1寬溫度窗口SCR催化劑試驗系統(tǒng)

表1 SCR系統(tǒng)設計參數

根據HJ/T76—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術要求及檢測方法》(附錄D)、GB/T16157—1996《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》，采用德國MＲUMGA5移動式紅外煙氣分析儀、LaserGasⅡSP紅外激光氣體分析儀分別對SCR反應器進出口氮氧化物濃度和出口NH3濃度進行測試，系統(tǒng)壓降由壓力變送器測得。

1.2煤質分析

機組燃燒煤種為神華煤，為保證試驗結果有意義，要求試驗期間煤質穩(wěn)定。對試驗期間機組入爐煤質進行分析，結果如表2所示。

表2入爐煤煤質分析

結果與討論

2.1氨氮比對催化劑活性的影響

選擇性催化還原技術中常以NH3、液氨和尿素等作為還原劑，在催化劑作用下與煙氣中NOx反應，生成N2和H2O，實現燃煤煙氣中氮氧化物的脫除。以NH3為還原劑，NH3與NOx反應，n(NH3)∶n(NOx)為1∶1，噴氨量越接近該比例，混合越充分，NOx被脫除的效率也越高。

氨氮含量對Zn-W/TiO2催化劑活性的影響如圖2所示。試驗系統(tǒng)條件為100%負荷煙氣量，催化劑層煙氣溫度為320℃，入口煙氣中NOx濃度為72.60～302.40mg/m3。

圖2氨氮含量對Zn-W/TiO2催化劑活性的影響

由圖2可知:脫硝效率隨n(NH3)/n(NOx)的增加而增加，n(NH3)/n(NOx)為0.66時，實測脫硝效率為67.4%，n(NH3)/n(NOx)為0.92時，實測脫硝效率為90.7%，與理論脫硝效率基本一致，表明噴氨量在該區(qū)間內時噴入的氨氣幾乎全部和NOx發(fā)生反應。

當n(NH3)/n(NOx)增加至0.95時，實測脫硝效率隨之上升至92.5%，略低于理論脫硝效率，因為當n(NH3)/n(NOx)比增加到一定程度時，NH3與NOx的反應受反應速率的限制，部分氨氣來不及參與SCR反應，導致實際脫硝效率低于理論值，出現部分NH3逃逸的現象，并且逃逸量會隨著n(NH3)/n(NOx)的增加逐漸上升。

逃逸的NH3與煙氣中少量的SO3和水蒸氣反應，生成硫酸銨和硫酸氫銨，堵塞催化劑孔道、腐蝕SCR下游設備，嚴重危害鍋爐的安全運行。

本文研究的寬溫度窗口SCR催化劑催化作用明顯、具有較高的效率，在保證氮氧化物排放指標的條件下，為了避免過量的氨逃逸，應盡量控制n(NH3)/n(NOx)不超過0.92。

2.2不同溫度下催化劑活性測試

為了研究Zn-W/TiO2寬溫度窗口SCR催化劑在不同溫度窗口下的脫硝性能，本文根據SCR系統(tǒng)入口NOx濃度調節(jié)噴氨量，通過控制NH3/NOx比例控制脫硝效率，檢測不同溫度窗口、不同脫硝效率下SCR系統(tǒng)NOx出口濃度。

實際運行中，在保證氮氧化物出口濃度達到環(huán)保標準要求的前提下，噴氨量越少SCR的運行成本越低，對下游設備的腐蝕危害越小。

目前，大多數SCR系統(tǒng)布置在省煤器出口，機組滿負荷運行時催化劑層溫度為300～425℃;但是，燃煤機組運行負荷波動較大，經常達不到滿負荷運行，導致省煤器出口煙溫較低。

由此，結合試驗期間機組的實際運行狀態(tài)和本文研究需求，選取了在常規(guī)溫度窗口320，300℃和低溫窗口275℃下，對SCR系統(tǒng)進出口NOx濃度隨脫硝效率的變化進行測試(圖3)，試驗過程中系統(tǒng)煙氣量保持100%負荷。

圖3不同溫度窗口下SCR出口NOx濃度隨脫硝效率的變化

從圖3可以看出:受鍋爐入爐煤質、鍋爐燃燒狀況和機組負荷波動的影響，SCR入口氮氧化物濃度存在一定的波動，測試期間最高為157.61mg/m3，最低為107.81mg/m3，而大多數NOx入口濃度在115.00～130.00mg/m3。

在催化劑層溫度為320℃時，脫硝效率從67.0%升高至87.8%和93.5%，SCＲ出口氮氧化物濃度從40.56mg/m3降低至15.26mg/m3和8.62mg/m3;催化劑層溫度為275℃時，脫硝效率從68.0%升高至88.1%，SCR出口氮氧化物濃度從37.95mg/m3降低至13.92mg/m3，說明該催化劑在較低的溫度下脫硝活性不受影響，完全可以滿足環(huán)保排放要求，適合用于負荷波動較大的燃煤機組的脫硝，降低改造成本。

2.3不同溫度下氨逃逸隨脫硝效率的變化

過量的噴氨會導致部分氨氣來不及參與反應而逃逸，逃逸的氨與煙氣中SO3和H2O在230℃時發(fā)生反應，生成NH4HSO4和(NH4)2SO4，具有黏性，在SCR系統(tǒng)下游設備內會形成堵塞和腐蝕，并且增大空預器的受熱面，對鍋爐排煙溫度和鍋爐效率也會產生較大的影響，因此氨逃逸是對催化劑性能考核的重要指標之一。

圖4顯示催化劑層溫度分別在320，300，275℃時，不同脫硝效率下氨逃逸的變化趨勢;為保證催化劑性能，本試驗平臺所使用的催化劑設計長期使用最低溫度為275℃，且該溫度下最高脫硝效率應不超過88.0%。

從圖中可以看出:脫硝效率＜88.0%時，氨逃逸率在0.15～0.75mg/m3，275℃下氨逃逸率略高于SCR常規(guī)溫度窗口的氨逃逸。

脫硝效率＞88.0%時，繼續(xù)增加脫硝效率，SCR反應器中NH3/NOx增大，受反應速率限制，氨逃逸率迅速增大;當脫硝效率為94.0%時，300℃溫度下氨逃逸率為1.05mg/m3，320℃時的氨逃逸率增大至2.00mg/m3，均低于環(huán)保排放標準(2.50mg/m3)。

因此，保證較低的氮氧化物出口濃度，又控制氨逃逸量不超過排放標準，該寬溫度窗口SCR催化劑運行投入的脫硝效率建議不超過91.0%。

圖4不同溫度窗口下氨逃逸率隨脫硝效率的變化

2.4 300h連續(xù)運行的效率及阻力變化

燃煤電廠使用的SCR技術大多屬于高塵布置方式，即SCR系統(tǒng)安裝在電除塵和脫硫塔之前，該環(huán)境下煙塵和硫氧化物含量較高，容易導致催化劑堵塞、中毒等，影響催化劑活性，因此研究催化劑長時間連續(xù)運行的脫硝效率變化和催化劑層阻力變化對指導催化劑的選擇具有重要意義。

300h連續(xù)運行系統(tǒng)脫硝效率變化的時均值如圖5所示，單層催化劑出入口壓力及阻力變化的時均值如圖6所示。連續(xù)運行期間測試了不同溫度和不同脫硝效率工況下的出口NOx濃度及氨逃逸等，運行溫度為275～339℃，脫硝效率為67.0%～94.0%。從圖5中可以看出:連續(xù)運行300h，脫硝效率與NH3/NOx的變化趨勢基本保持一致，說明該催化劑在長時間連續(xù)運行后脫硝活性沒有受到明顯影響。

圖5連續(xù)運行300h脫硝效率變化

一般安裝SCR脫硝裝置之后，系統(tǒng)的阻力會增大，從而增加引風機的電耗;另外，在運行過程中，煙氣中飛灰沉積在催化劑表面，堵塞催化劑孔道，會進一步造成系統(tǒng)阻力增加。工程上為緩解SCR系統(tǒng)阻力增大，通常采用吹灰的方式，將積灰吹到SCR下游裝置中進行脫除。本系統(tǒng)中在每層催化劑入口安裝了聲波吹灰器，吹灰介質為壓縮空氣，周期為2h。

圖6單層催化劑連續(xù)運行300h阻力變化

從圖6中可以看出:SCR系統(tǒng)處于負壓狀態(tài)，單層催化劑入口壓力為－1.2～－1.0kPa，出口壓力為－1.4～－1.2kPa，單層催化劑阻力在0.2kPa左右，連續(xù)運行300h，阻力沒有明顯增大，說明催化劑孔道內沒有產生堵灰現象，催化劑性能穩(wěn)定。

結論?

1)當n(NH3)/n(NOx)＜0.92時，實測脫硝效率與理論脫硝效率基本一致;在n(NH3)/n(NOx)高于0.92時，實測脫硝效率開始低于理論脫硝效率，并且差值隨n(NH3)/n(NOx)的增加繼續(xù)增大。

2)SCR入口NOx濃度為115.00～130.00mg/m3，調節(jié)脫硝效率為88.0%左右時，常規(guī)溫度窗口和低溫窗口下NOx排放濃度可低于20mg/m3;該催化劑在低溫窗口時的脫硝性能穩(wěn)定，適合用于負荷波動較大的燃煤機組。

3)氨逃逸在低溫窗口運行時略高于常規(guī)溫度窗口，但仍低于環(huán)保標準2.50mg/m3(HJ562—2010);脫硝效率超過88.0%時，氨逃逸率迅速增大，該寬溫度窗口SCR催化劑運行效率建議不超過91.0%。

4)連續(xù)運行300h，催化劑脫硝活性沒有明顯下降;配合聲波吹灰，單層催化劑阻力沒有明顯增大。

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