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LYWS-7脱硝催化剂

一、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；NOX排放的快速增长部分抵消了我国在SO2 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100mg/m3的排放标准，上海新建锅炉200mg/m3排放标准，广州要求2010年亚运会前电厂全部安装烟气脱硝设施。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GB13223—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200mg/m3和非重点地区为400mg/m3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年底，我国已建、在建或拟建的57450MW烟气脱硝机组中，SCR法占96%，非选择性催化还原SNCR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法脱硝系统的性能和投资运行成本。

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。本公司引进的LYWS-7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。

二、LYWS-7催化剂的特点

电厂烟气脱硝的主流催化剂是蜂窝式催化剂。蜂窝式催化剂采用整体挤出烧制的制备工艺，LYWS-7脱硝催化剂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，LYWS-7脱硝催化剂催化剂单元煅烧后组装得到催化剂模块。由于LYWS-7脱硝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，LYWS-7脱硝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，在燃煤烟气脱硝占据很大的市场份额。

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30g/m3，极端情况甚至会超过50g/m3。由于我国烟气脱硝系统均采用无旁路设置，一旦发生催化剂严重堵塞，必须停炉处理。为了保证锅炉连续稳定运行，对脱硝催化剂的防堵塞性能提出了较高的要求。

图1　LYWS-7催化剂与蜂窝式催化剂制备工艺的比较

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LYWS-7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2.5mm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LYWS-7脱硝催化剂相当，甚至更大。当烟气中飞灰的质量浓度大于30g/m3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LYWS-7脱硝催化剂。

LYWS-7脱硝催化剂与蜂窝式催化剂相比，LYWS-7脱硝催化剂具有更强的抗灰堵性能，这除了与LYWS-7脱硝催化剂通流面积大、大颗粒飞灰堵塞风险小之外，更主要的是因为LYWS-7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LYWS-7脱硝催化剂表面时，会发生持续不断的轻微振动，将粉尘振离LYWS-7脱硝催化剂表面，其作用与声波吹灰器类似，细灰不容易在LYWS-7脱硝催化剂表面发生架桥效应，大大降低LYWS-7脱硝催化剂表面细灰聚集架桥引起LYWS-7脱硝催化剂堵塞的风险。在烟气中，在粉尘浓度不是很高的情况下，使用LYWS-7脱硝催化剂时，甚至可以考虑不使用吹灰器。

与空气预热器NF型板相似的LYWS-7脱硝催化剂单板结构

图2　LYWS-7脱硝催化剂结构

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。

LYWS-7脱硝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LYWS-7脱硝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LYWS-7脱硝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LYWS-7脱硝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， LYWS-7脱硝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LYWS-7脱硝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。

3　耐砷中毒

图3　LYWS-7脱硝催化剂和蜂窝式催化剂耐磨损比较

我国燃煤中砷含量较高，催化剂的选型设计需考虑砷中毒的影响。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，As2O3以蒸汽形式存在。当烟气通过催化剂表面时，其中的As2O3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V2O5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）。

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，因此对SCR脱硝催化剂进行了深入的研究，开发出了耐砷中毒的LYWS-7脱硝催化剂。具体措施主要是在LYWS-7脱硝催化剂中添加大量MoO3作为助LYWS-7脱硝催化剂，当As2O3蒸汽通过LYWS-7脱硝催化剂时会优先与MoO3结合，降低As2O3与V2O5结合的概率，从而有效延长LYWS-7脱硝催化剂的使用寿命，而蜂窝式催化剂由于采用纯陶瓷结构，无法添加大量MoO3 ，否则，会造成催化剂机械能力下降，所以，在高砷烟气脱硝中LYWS-7脱硝催化剂是唯一选择。图5为WO3 /TiO2 基蜂窝式催化剂与MoO3 /TiO2基LYWS-7脱硝催化剂在不同砷浓度情况下的失活情况， LYWS-7脱硝催化剂在抗砷中毒方面明显优于蜂窝式催化剂。

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， K2O， Na2O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LYWS-7脱硝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LYWS-7脱硝催化剂表面时， LYWS-7脱硝催化剂会发生持续不断的振动，飞灰不易在LYWS-7脱硝催化剂表面沉积，所以， LYWS-7脱硝催化剂的抗中毒能力比蜂窝式催化剂好很多。

图5　WO3 /TiO2蜂窝式基催化剂与MoO3 /TiO2

基LYWS-7脱硝催化剂砷中毒性能比较

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。

5　灵活的催化剂添加更换策略

LYWS-7脱硝催化剂采用不锈钢筛网板作为担体，具有更大的机械强度， LYWS-7脱硝催化剂单元可以直接叠加，所以LYWS-7脱硝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24000h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。LYWS-7脱硝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。

三、LYWS-7脱硝催化剂在高尘高砷烟气条件下应用案例

LYWS-7脱硝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2×660MW SCR烟气脱硝工程的LYWS-7脱硝催化剂业绩。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1889640m3/h(BMCR工况)，灰尘质量浓度高达41.4g/m3，入口NOX质量浓度450mg/m3，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，≤3×10-6；SO2 /SO3转化率，< 1%;催化剂层压降， 210Pa;催化剂寿命，24000 h；机械寿命，不少于50000h。

由于该项目飞灰质量浓度高达41.4g/m3，采用蜂窝式催化剂节距大，设计余量大，需求量大；LYWS-7脱硝催化剂在这方面优势明显，体积需求量只相当于蜂窝式催化剂的3 /4，用量小，节距小，设计余量小。

此外，由于LYWS-7脱硝催化剂所需体积较小，加上LYWS-7脱硝催化剂单元可以直接叠加， LYWS-7脱硝催化剂布置采用了更加灵活的“1.5 + 0.5 + 0.5”的方案。在最初只装填了1.5层LYWS-7脱硝催化剂，避免了多余的0.5层LYWS-7脱硝催化剂在24000h内飞灰的冲刷和中毒影响，可最大限度延长LYWS-7脱硝催化剂的使用寿命。根据计算，在LYWS-7脱硝催化剂24000h寿命后， 添加0.5层LYWS-7脱硝催化剂后使用寿命会延长40000h，再添加1层可继续延长至60000h，全部“2+1”层的LYWS-7脱硝催化剂寿命高达15年以上，所以，该方案LYWS-7脱硝催化剂添加和更换的均化成本低，有助于降低投资运行费用。

在高尘高砷燃煤烟气条件下， LYWS-7脱硝催化剂所需体积小，加上LYWS-7脱硝催化剂单价低，而且初装可以只装填1.5层，可以降低初投资费用; LYWS-7脱硝催化剂通流面积大，压降低，使用了更加灵活的LYWS-7脱硝催化剂管理策略，可最大限度地延长LYWS-7脱硝催化剂使用寿命，有效降低运行费用。另外， LYWS-7脱硝催化剂在耐飞灰堵塞、耐磨损方面具有绝对优势，所以， LYWS-7脱硝催化剂是一种特别适合我国国情燃煤烟气的LYWS-7脱硝催化剂方案。

四、技术结论

结合我国烟气脱硝的案例，说明LYWS-7脱硝催化剂是更适合我国国情燃煤烟气条件的LYWS-7脱硝催化剂类型。与蜂窝式催化剂相比， LYWS-7脱硝催化剂具有以下4个方面的优点:

图6　催化剂管理策略示意图

1、LYWS-7脱硝催化剂可以含有大量MoO3，是一种特别适合高尘高砷烟气条件的催化剂类型。

2、LYWS-7脱硝催化剂对于高尘的烟气条件具有很强的防堵塞、耐磨损和抗中毒的性能，在极高尘高砷烟气条件下， LYWS-7脱硝催化剂所需体积甚至比蜂窝式催化剂小，有助于降低投资成本。

3、LYWS-7脱硝催化剂具有灵活的催化剂管理策略，可以直接叠加，有助于延长LYWS-7脱硝催化剂的使用寿命，降低SO2氧化率和压降，减少LYWS-7脱硝催化剂投资运行成本。

4、无论是从经济性、安全性还是从脱硝催化剂性能来说， LYWS-7脱硝催化剂是一种在燃煤烟气条件下，特别适合我国国情的LYWS-7脱硝催化剂类型。