垃圾焚燒煙氣處理采用SCR工藝催化劑的選擇及運行中的注意事項

周志新

摘 ?要：隨著部分城市對垃圾焚燒廠煙氣排放指標提出了更為嚴格的要求，尤其是氮氧化物已經達到日均值80mg/Nm3[1]，垃圾焚燒廠單獨使用的SNCR（選擇性非催化還原）工藝已無法適應愈加嚴格的排放要求。為適應日趨嚴格的煙氣排放標準，SCR（選擇性催化還原）工藝越來越受到業界重視。文章主要闡述了垃圾焚燒廠煙氣脫硝采用SCR工藝時，催化劑的選擇要點及運行中的注意事項。

關鍵詞：垃圾焚燒;SCR催化劑;注意事項

中圖分類號：X701 ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）28-0100-02

Abstract： As some cities have put forward more stringent requirements for flue gas emission indicators of municipal solid waste incineration plants， especially nitrogen oxides have reached the daily average value of 80mg/Nm3[1]， the SNCR （selective non-catalytic reduction） process used by municipal solid waste incineration plants alone has been unable to meet the increasingly stringent emission requirements. In order to adapt to the increasingly stringent flue gas emission standard， SCR （selective catalytic reduction） process has been paid more and more attention by the industry. This paper mainly expounds the key points of catalyst selection and matters needing attention in operation when SCR process is adopted in flue gas denitrification in municipal solid waste incineration plant.

Keywords： solid waste incineration; SCR catalyst; matters needing attention

國內垃圾焚燒廠主要采用SNCR工藝及低氮燃燒工藝控制煙氣中的氮氧化物。隨著《深圳市生活垃圾處理設施運營規范》（SZDB/Z 233-2017）的發布，正式將垃圾焚燒煙氣中氮氧化物的排放指標收緊至80mg/Nm3。目前使用的SNCR工藝由于脫硝效率普遍保持40%左右，僅能將氮氧化物穩定的控制在180mg/Nm3，無法滿足更加嚴格的排放標準。采用SCR工藝脫除煙氣中的氮氧化物已成為垃圾焚燒廠的重要選擇。

1 催化劑的選擇要點

催化劑是SCR工藝的重要組成部分，按運行溫度可分為高溫催化劑，中溫催化劑，低溫催化劑，催化劑性能將直接影響SCR系統的整體脫硝效果[2]。所以選擇催化劑時需要兼顧催化劑的運行溫度、比表面積、脫硝效率、活性、氨逃逸等參數進行選擇。

1.1 運行溫度

SCR催化劑依據運行溫度一般分為高溫催化劑（運行溫度400℃以上）、中溫催化劑（運行溫度200℃-380℃）、低溫催化劑（運行溫度200℃以下）。垃圾焚燒廠基于煙氣中二氧化硫和重金屬（尤其是鉛、汞）的影響一般將SCR工藝布置于布袋除塵器下游。而布袋除塵器出口溫度一般在140～160℃，不利于布置高溫催化劑。低溫催化劑雖然對于運行溫度適應較好，但存在其他較嚴重的工藝缺陷。

高溫催化劑普遍活性較好，具有良好抗硫酸氫銨、抗氯化氫、抗水中毒能力，抗磨性能強，硫中毒再生后性能恢復好。由于運行溫度在400℃以上，如果設置在布袋除塵器后方，則需要設置SGH、GGH、電加熱器等升溫設備，能耗極高。如果布置在余熱鍋爐過熱器后部則需要提前處理煙氣中的重金屬，避免重金屬對催化劑活性造成影響。此時如果提前噴入活性炭雖然吸附了重金屬，但后續再合成的二噁英無法得到吸附，需要在除塵器前再次噴入活性炭，造成浪費。一般不建議采用高溫催化劑。

中溫催化劑活性相對較高，具有較理想的抗硫酸氫銨、抗氯化氫能力。硫酸氫銨中毒后，在線再生性能可恢復到初始狀態的60%以上;重金屬中毒后活性明顯降低，在線再生效果不明顯。需要布置SGH、GGH等設備，有較高的能耗。布置于布袋除塵器后部，能耗可接受。

低溫催化劑活性高，但對運行參數要求嚴格。正常情況下，運行溫度低于硫酸氫銨的分解溫度（200℃），硫酸氫銨一旦生成將逐漸覆蓋催化劑孔洞，導致催化劑比表面積下降，形成硫中毒。同時由于催化劑運行于低溫環境，為保證脫硝效率，在比表面積一定的前提下需進一步提高V2O5、WO3的比例從而提高劑活性，這也進一步提高煙氣中SO2/SO3轉化率，縮短了硫中毒所需時間。此時SO2/SO3轉化率可能大于1%。

1.2 比表面積

比表面積是催化劑一個重要參數，指代一定質量的催化劑外露表面積的總和。催化劑是一個在真空條件下擠出并經過高溫燒制而成，整體呈現陶狀多孔的結構。由于脫硝過程主要發生在催化劑表面，所以催化劑多孔的結構為催化反應提供了巨大的表面積。

同時，按催化劑外形可分為蜂窩式、平板式，單比表面積一項參數而言蜂窩式催化劑遠高于平板式。平板式催化劑比表面積一般為200～400m2/m3，蜂窩式催化劑比表面積則可達900m2/m3。

蜂窩式催化劑較平板式催化劑更容易受到大顆粒物的影響，從而直接減少反應面積。但SCR布置于除塵器后部則無需考慮大顆粒物對催化劑的影響。

隨著運行時間的累計，煙氣中的飛灰、堿金屬微粒會逐漸覆蓋、堵塞催化劑表面，從而降低催化劑比表面積。尤其是滲瀝液濃液回噴焚燒爐帶來的大量鈉鹽，對催化劑活性的影響顯著。

1.3 脫硝效率

脫硝效率指在正常運行狀態下，SCR系統出口氮氧化物濃度與原煙氣中氮氧化物濃度的比值。

脫硝效率需根據整體工藝設置選擇。如果設有SNCR系統，焚燒爐出口原煙氣NOx濃度一般在150～200mg/Nm3，在設有備用催化劑層的情況下，脫硝效率可選擇60%，在催化劑逐漸失效的情況下補充備用催化劑即可滿足要求。

如果煙氣處理系統未設置SNCR系統，則焚燒爐出口原煙氣NOx濃度為300mg/Nm3，一般不設置備用催化劑層，并且催化劑脫硝效率應達到80%以上。

脫硝效率是一個綜合性參數，受催化劑比表面積、活性、孔隙率等參數變化的影響。脫硝效率的降低并不能直接反應催化劑某一個參數的變化。

1.4 活性

催化劑活性指脫硝催化劑在氨基還原劑與NOx反應過程中所起到的催化作用的能力。

催化劑活性主要受煙氣中重金屬的干擾，比如氣態砷化物、Pb、堿金屬、堿土金屬等。上述物質會逐漸深入進入催化劑內部，并進一步和其他物質反應，占用催化劑活性位置，降低活性[3]。一旦催化劑活性降低或者中毒則需要再生，或補充、更換新催化劑。

1.5 氨逃逸

氨逃逸指SCR反應器出口煙氣中的還原劑（氨）的質量與煙氣體積的比值。氨氣未參與反應而直接逃逸是無法避免的，只能通過系統的優化調整盡量降低。

依據《火電廠煙氣脫硝工程技術規范選擇性催化還原法》（HJ 562-2010）氨逃逸應小于2.5mg/m3。氨逃逸的上升主要與噴氨系統各噴口流量不平衡、SCR內部流場發生變化、催化劑老化、催化劑中毒等原因有關。最常見的因素是噴氨系統各噴口流量不平衡導致。

2 運行中的注意事項

催化劑脫硝效率對SCR系統運行效果至關重要，運行中需要注意以下事項，否則將導致脫硝效率顯著下降。

2.1 酸性氣體濃度過高將導致催化劑中毒

由于垃圾焚燒廠將SCR催化劑布置于布袋除塵器下游，工藝上多選擇高活性小截距的蜂窩型中低溫催化劑，運行溫度多在180℃至250℃之間。溫度過低（低于230℃），煙氣中的SO3會與氨結合生成硫酸氫銨，而硫酸氫銨是一種粘性極大的物質，會附著在催化劑表面，吸附飛灰，阻止催化劑與煙氣接觸，使得催化劑失效[4]。如SCR系統入口的SO2濃度長時間保持在50mg/Nm3以上，將大大縮短硫中毒的時間。

2.2 除塵布袋破損可能導致催化劑中毒

由于垃圾中成分的不確定性，原煙氣中含有一定量的重金屬、較多堿金屬，重金屬及堿金屬均可導致催化劑活性顯著降低。

煙氣及飛灰中的重金屬，尤其是《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485-2014）中控制的重金屬汞、鎘、鉛、砷也是引起催化劑失效的重要因素之一。一旦發生破損，煙氣及飛灰中的重金屬將導致催化劑活性顯著降低。所以運行中需要時刻關注煙氣在線監測系統反饋的顆粒物濃度，出現異常后及時排查及時處置，系統停運后抽取試塊對催化劑活性進行檢測。

堿金屬如果與催化劑表面接觸，能夠直接與活性位發生作用而使催化劑鈍化[2]。由于滲瀝液中含有大量的鹽分，一般超濾產水的電導率在3-10毫西，主要物質為鈉鹽、鉀鹽。反滲透濃液回噴入焚燒爐將產生大量鈉鹽、鉀鹽的超細粉塵。雖然覆膜布袋可以過濾其中的99.9%，但隨著運行時間的累積催化劑活性將逐漸衰減。所以運行中應盡量避免向焚燒爐爐膛回噴滲瀝液等污水，尤其是滲瀝液的反滲透濃液。

2.3 SCR停運、檢修期間的管理

催化劑對液態水異常敏感，少量液態水即可引起催化劑活性下降。同時生活垃圾含水率較高，最高時可達65%，并且基本采用半干法脫酸技術，煙氣濕度一般控制在18%-25%。一旦煙氣竄入停運的SCR系統并冷凝，冷凝水將導致催化劑活性顯著降低，即水中毒。故此啟、停爐期間及SCR單獨停運期間需要做好SCR系統的隔離，尤其需要注意SCR進出口風門密封風的溫度和風量，避免濕煙氣進入SCR系統。

2.4 催化劑再生應及時

發現煙氣中氮氧化物不能持續穩定達標排放時應及時檢測催化劑活性及脫硝效率。一旦發現活性顯著降低、脫硝效率不足，應盡早查明原因并對催化劑進行再生。盡早查明原因并再生中毒的催化劑對催化劑活性的恢復至關重要。

3 結束語

采用SCR工藝脫除煙氣中的氮氧化物需要做好催化劑的選擇和運行維護。只有做好催化劑的選型和運行維護才能保證煙氣中氮氧化物高效脫除，保證煙氣達標排放。

參考文獻：

[1]SZDB/Z 233-2017.深圳市生活垃圾處理設施運營規范[S].

[2]孫克勤，鐘秦，于愛華.SCR催化劑的堿金屬中毒研究[C]//第四界全國脫硫工程技術研討會，2006.

[3]春國成.SCR脫硝催化劑反應活性探討[J].東北電力技術，2016，37（1）：59-61.

[4]蘇杭.SCR系統中板式和蜂巢式催化劑的選取[J].電力環境保護，2005，21（2）：27-29.