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生物質鍋爐煙氣SCR脫硝催化劑

  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2020年05月25日

十三屆全國人大三次會議于2020年5月22日在北京召開,全國政協十三屆三次會議于2020年5月21日在北京召開。2020兩會大概在6月初結束,兩會將對經濟等一系列問題進行商議。近年來,環保問題不斷升溫,加上今年是藍天保衛戰的收官之年,環保再成今年全國兩會熱點議題之一。北京華電光大環境股份有限公司是國家高新技術企業,公司致力于SCR板式脫硝催化劑、SCR/SNCR脫硝技術等研發與設計。華電光大多年來致力于煙氣治理,處于行業領先地位,為國家生態環境建設做出了巨大的貢獻。

生物質鍋爐是以生物質能源做為燃料的鍋爐。目前在不少省區,生物質正在成為煤炭的有效補充和替代燃料。然而盡管生物質鍋爐相比煤炭鍋爐污染較小,但在其燃燒過程中還會產生顆粒粉塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、酸性氣體等,而產生的粉塵以及廢氣需要經過處理才可達到廢氣排放標準。隨著燃煤鍋爐“超低排放”的不斷推進,自身排放標準缺失的生物質往往需要面臨同樣的“超低”考驗,生物質鍋爐尾氣超低排放技術研究刻不容緩。生物質鍋爐大氣排放標準嚴格執行環保部門制定的《鍋爐大氣污染物排放標準》,我國現行生物質鍋爐排放標準如表1所示。

表1我國現行生物質鍋爐排放標準

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注:排放標準因鍋爐建成時間、所在地區而不同。

二生物質鍋爐煙氣特點

(1)爐膛溫度差別大,生物質鍋爐主要有爐排爐和循環流化床爐,每種爐型又分為中溫中壓爐、次高溫次高壓爐、高溫高壓爐,膛溫度分別為 700~760℃、880~950℃、850~1100℃

(2)生物質中氫元素含量較高,煙氣中含水量也高,達15%~30%。

(3)二氧化硫、氮氧化物濃度波動大;燃燒純生物質時SO2、NOx濃度在120~250mg/m3波動,如燃料中摻雜模板、木材、樹皮,煙氣中SO2、NOx濃度在 250~600 mg/m3波動。

(4)生物質煙塵含堿金屬質量分數較高,可達8%以上。

表2某生物質鍋爐飛灰與燃煤鍋爐飛灰主要成分對比

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三生物質鍋爐煙氣脫硝技術

生物質的鍋爐燃料種類多、熱值低、給料均勻性差,造成燃燒區內的溫度變化劇烈,鍋爐出口初始氮氧化物排放濃度波動大。目前,只有SCR脫硝技術可以實現“超低排放”的要求且長期穩定。

選擇性催化還原(S Selective Catalytic Reduction,SCR)脫硝技術,是將還原劑送入煙道使之與煙氣混合,在催化劑的作用下,在300~420℃的溫度狀態下將NOx還原為 N2和 H2O,從而實現 NOx的減排。

在SCR反應器內,NOx通過以下反應被還原:

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SCR脫硝技術脫硝效率最高最有效的固定源NOx治理的技術,脫硝率可以達到90%以上,在眾多行業的超低排放領域中都有廣泛應用。但由于生物質燃料本身含有K、Na、Ca等堿性物質,燃燒后形成飛灰進入SCR系統,吸附在催化劑表面或堵塞催化劑孔道,并且與催化劑表面活性成分發生反應,造成催化劑中毒失活,對催化劑的使用壽命產生影響。為保證催化劑的安全運行,同時最大限度減小新增催化劑的煙氣阻力,催化劑需選用抗堿金屬板式催化劑。

四 華電光大抗堿金屬板式催化劑

針對生物質鍋爐煙氣特點,北京華電光大聯合華北電力大學國家生物質實驗在常規催化劑的基礎上做了性能改進,開發了具有高效抗堿金屬的生物質脫硝催化劑,在高堿金屬含量飛灰煙氣中具有優異的活性以及長的使用壽命。華電光大是依托華北電力大學成立的高新技術企業,致力于多溫區多功能SCR脫硝催化劑及低能耗脫硝技術的研發及應用。并在2019年先后榮獲教育部科學技術進步一等獎和國家科學進步二等獎等榮譽。

華電光大通過對催化劑進行理論分析、性能評價和表征,分析催化劑中各元素賦存形態與催化劑性能之間的關系,深入了解催化劑中毒原理,并從減緩催化劑化學中毒和物理中毒方面切入,成功開發了抗堿金屬中毒SCR脫硝催化劑。

堿金屬(K 、Na)氧化物或鹽隨飛灰進入SCR脫硝催化劑區域,不僅會堵塞催化劑孔道,造成物理鈍化,還會帶來嚴重的化學中毒失活(主要)。堿金屬對催化劑中毒機理如下圖所示(以鉀為例):

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圖2釩鈦系催化劑堿金屬中毒機理

如上圖所示堿金屬K(Na)對催化劑中毒機理為,高還原性的堿金屬可與催化劑表面V、W或Mo的B酸位點形成V(W、Mo)-O-K鍵,導致B酸位點數量減少,從而影響還原劑NH3的吸附活化,造成催化劑活性大幅下降。針對此情況,抗堿金屬中毒SCR脫硝催化劑具體開發工作如下:

4.1增加催化劑表面酸性

堿金屬對催化劑中毒,主要是與活性中心(V)的酸位發生反應,占據酸位導致氨無法吸附在酸位上,造成催化劑活性降低。在此基礎上,ⅥB,ⅠB,Ⅷ副族過度金屬元素,以及稀土金屬可提高催化劑的酸位。通過篩選復配,以及加工方式的優化,比例調整等一系列工作,成功選取了合適的助催化劑,提高了脫硝催化劑整體酸位,增加了氨的吸附位點和堿金屬抗性。從而提高了堿金屬的容量。

4.2添加抗堿金屬助劑

堿金屬與催化劑的活性中心酸位作用,為了避免催化劑失活或者降低催化劑失活速率,要降低堿金屬與活性中心酸位的接觸,也就是保護催化劑活性中心。增加堿金屬與活性中心接觸的能壘和采用活性更高更易與堿金屬發生反應的助劑。我們從這兩方面入手首先選取了可以在二氧化鈦上分散性好同時具有一定空間位阻的助劑,使得堿金屬不易與催化劑發生反應。

4.3調整催化劑配方

調整活性物質和助催化劑的比例及加工方式,通過助劑的復配以及加工工藝的改進,提高了整體催化劑的活性。通過浸漬預中毒活性測試以及表觀形貌觀察,催化劑抗堿金屬性能良好。

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圖3催化劑抗堿中毒能力測試

五結論

生物質鍋爐尾氣超低排放技術研究刻不容緩。只有SCR脫硝技術可以實現“超低排放”的要求且長期穩定。華電光大研發的平板式抗堿脫硝催化劑具有抗堿中毒性能,可以保證長期運行不中毒,全方位地解決了生物質鍋爐煙氣脫硝中出堿金屬中毒等問題。

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