脫硝效率與催化劑層數(shù)

楊旭中

(中國電力工程顧問集團(tuán)公司，北京 100120)

目前，燃煤電廠新、擴(kuò)建工程同步脫硝已進(jìn)入設(shè)計(jì)日程。其中脫硝效率應(yīng)如何確定已成為首要課題，在脫硝效率確定以后，如何在采用SCR工藝時(shí)合理確定其安裝和預(yù)留層數(shù)，尚存在爭(zhēng)論，由于脫硝裝置造價(jià)及運(yùn)行成本中，催化劑均占主要部分，更成為重要課題之一。現(xiàn)將個(gè)人認(rèn)識(shí)與見解整理出來，供討論。

1 大氣排放標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)行大氣排放標(biāo)準(zhǔn)是按照燃煤鍋爐采用低NOX燃燒技術(shù)制定的。原統(tǒng)一要求鍋爐出口NOX濃度不超過650mg/Nm3，后根據(jù)煤中揮發(fā)份含量分為三檔，即煙煤減為≤450mg/Nm3；貧煤仍為≤650mg/Nm3；無煙煤增為≤1100mg/Nm3。這是一大進(jìn)步；但從實(shí)踐情況看，在燃煤分類揮發(fā)份界限附近，(如可燃質(zhì)揮發(fā)分為10%或20%左右)，排放濃度不會(huì)突變，還不夠科學(xué)。

在環(huán)境保護(hù)日益嚴(yán)格，低碳經(jīng)濟(jì)要求緊迫的背景下，上述標(biāo)準(zhǔn)正在修訂，據(jù)目前掌握的意見，對(duì)于新建設(shè)的工程，環(huán)評(píng)執(zhí)行NOX≤200mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于環(huán)評(píng)已通過的工程，2015年以前可以執(zhí)行NOX≤400mg/Nm3的標(biāo)準(zhǔn)。

因此，按照新標(biāo)準(zhǔn)的要求，僅對(duì)于已通過環(huán)評(píng)的工程、燃用煙煤、且鍋爐廠能保證排放濃度≤400mg/Nm3時(shí)，短期可不同步脫硝，但仍應(yīng)預(yù)留加裝脫硝裝置的條件。

2 要求的脫硝效率

在鍋爐出口NOX排放濃度符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，而脫硝裝置出口NOX排放濃度符合新標(biāo)準(zhǔn)的條件下，不難算出要求的脫硝效率，見表1。

表1 要求的脫硝效率

目前有一種意見，認(rèn)為采用SCR工藝時(shí)，脫硝效率可以達(dá)到80%以上，是否統(tǒng)一規(guī)定為要求≥80%，而且希望將這一條件與脫硝以后將增加的上網(wǎng)電價(jià)掛勾，個(gè)人認(rèn)為這是不科學(xué)的。

⑴ 鍋爐出口NOX濃度與燃用煤種有關(guān)，這是科學(xué)的反映。過去在制定采用低NOX燃燒方式時(shí)，鍋爐的NOX排放標(biāo)準(zhǔn)，已從“一刀切”改為“分三段”，這是一大進(jìn)步，不宜后退。

⑵ 環(huán)保要求要從嚴(yán)，但也要計(jì)入達(dá)到環(huán)保要求的投入。對(duì)于煙煤，如采用80%的脫硝效率，則脫硝后NOX排放濃度將低于90mg/Nm3，從世界上環(huán)境保護(hù)要求最嚴(yán)，人均經(jīng)濟(jì)實(shí)力比我國強(qiáng)大的國家也無此嚴(yán)格的規(guī)定。

⑶ 與采用濕法石灰石—石膏法脫硫要求脫硫效率不低于95%不同，脫硫效率從90%左右提高到95%，無論投資與運(yùn)行費(fèi)用增加不多；而脫硝效率從40%以下(可采用SNCR工藝)，56%～69%(可采用兩層催化劑)提高到80%以上(通常采用三層或更多的催化劑)，無論初投資還是運(yùn)行成本，均會(huì)顯著提高。

⑷ 為了反映電廠的投入，脫硝后增加的上網(wǎng)電價(jià)也可按照脫硝效率和投入分檔。

3 單層催化劑的脫硝效率

單層催化劑的脫硝效率與催化劑反應(yīng)時(shí)間，即催化劑高度與煙氣速度；催化劑出口氨的逃逸率；催化劑入口NOX的濃度以及催化劑的活性等多因素有關(guān)。這里主要闡述在其化學(xué)壽命周期內(nèi)的變化特點(diǎn)。

典型的單層催化劑，其脫硝效率的變化見圖1。

圖1 典型的單層催化劑脫硝效率變化

整個(gè)使用周期分為三個(gè)階段。

⑴ 效率基本平穩(wěn)階段，催化劑狀態(tài)良好；

⑵ 效率緩慢下降階段，催化劑性能下降；

⑶ 效率快速下降階段，催化劑性能急降。

這是催化作用的一般規(guī)律，可見催化劑使用周期與脫硝要求效率有關(guān)，要求效率越高，使用周期越短，即需要較快拆換進(jìn)行處理。

某工程采用單層催化劑，新投用時(shí)脫硝效率可達(dá)50%，由于保證效率為44.4%，其使用壽命在16000h左右。如果可以用到30%，其使用壽命可延長到24000h。

提高催化劑的層高，從而延長停留時(shí)間，可以提高脫硝效率，但受到吹灰深度的限制，層高過高，吹灰吹不透，將引發(fā)催化劑堵塞，大大降低它的性能，甚至被迫停運(yùn)清理。因此，需要因工程制宜，作出充分的論證，并以使用業(yè)績(jī)?yōu)楸ＷC。

4 多層催化劑聯(lián)合工作

與電氣除塵器相仿，每層催化劑的脫硝效率，粗略計(jì)算時(shí)，可以視為相似，即大體等同。當(dāng)兩層催化劑聯(lián)合工作時(shí)，如果一層保持50%，另一層不低于40%，其保證脫硝效率可達(dá)到70%并可用20000h；如果另一層不低于30%，保證脫硝效率為65%，就可用24000h。

當(dāng)三層催化劑聯(lián)合工作時(shí)，如一層50%，一層45%，另一層30%，即分處于三個(gè)階段，保證脫硝效率為80.75%，可用24000h才更換；如果兩層在50%，僅一層不低于40%，則保證脫硝效率可達(dá)到85%，但20000h即需更換。

當(dāng)然，聯(lián)合工作如何更換需要多因素優(yōu)化，以上僅示例，作為一種說明。

5 預(yù)留的作用與安裝時(shí)機(jī)

⑴ 推遲性預(yù)留

當(dāng)初裝的催化劑在脫硝效率平穩(wěn)階段運(yùn)行時(shí)，其脫硝效率最高，兩層聯(lián)用可達(dá)到75%，三層可達(dá)到87.5%。因此，如已能滿足環(huán)境保護(hù)要求，初期第三或第四層可以緩裝。為使初裝層不會(huì)同時(shí)失效，新加催化劑層可以早些安裝，待保證效率已不能滿足要求時(shí)，再更換一層。

⑵ 長遠(yuǎn)性預(yù)留

對(duì)于目前暫按400mg/Nm3要求設(shè)計(jì)的工程，要預(yù)留今后提高標(biāo)準(zhǔn)，改變?cè)O(shè)計(jì)煤種以及鍋爐排放濃度長期超標(biāo)等因素，從而需要加裝一層催化劑的條件。根據(jù)以上因素變化的需求，適時(shí)加裝。

由此可以看出，如無以上兩個(gè)方面的需求，預(yù)留并不是必需的，國內(nèi)外工程實(shí)踐也證明了這一點(diǎn)。

6 推薦的組合方式

根據(jù)以上分析，對(duì)于典型的催化劑配置，推薦的組合方式見表2。

表2 推薦的組合方式

表中+1層為推遲性預(yù)留，如需長遠(yuǎn)性預(yù)留時(shí)，可以結(jié)合起來考慮，或再加1層。

由于影響脫硝效率的因素很多，各廠家專長有所不同，這一建議主要用于可行性研究階段的估算和編寫脫硝島招標(biāo)文件；在招標(biāo)中，允許投標(biāo)廠商提出優(yōu)化建議，評(píng)標(biāo)時(shí)確定。在脫硝島初步設(shè)計(jì)階段，再根據(jù)評(píng)標(biāo)時(shí)選定的廠家、該廠家提供的投標(biāo)文件與雙方簽訂的合同，進(jìn)行編審工作。

7 對(duì)于SNCR與SCR混合方案

⑴ SNCR方案的脫硝效率和NH3與NOX之間的摩爾比有關(guān)，見表3。

表3 SNCR工藝的脫硝效率

由此可見，如采用SNCR工藝，要提高脫硝效率需以多耗還原劑為代價(jià)，雖然投資省，運(yùn)行費(fèi)很高，故不推薦脫硝效率超過40%，它特別適用于無條件加裝SCR工藝的鍋爐。

⑵ 為了充分利用SNCR工藝后的逃逸氨，可以在煙道富余空間內(nèi)安裝單層催化劑，即采用混合方案。由于SNCR工藝脫硝效率通常在35%～40%之間，利用其后的逃逸氨，再通過單層SCR工藝，可以達(dá)到40%～60%。

⑶ 此時(shí)，由于脫硝效率要求不高，尾部煙道內(nèi)一般無空間供預(yù)留，僅需在運(yùn)行中控制SNCR的摩爾比與SCR催化劑的更換時(shí)間，即可滿足環(huán)境保護(hù)要求。