國華臺山熱電廠5#機組脫硝工程
工程所屬方：國華臺山熱電廠
技術提供方：托普索公司
一、脫硝技術簡介
歷經數年發展，對燃煤鍋爐煙氣脫硝效率的要求已從80%左右提高到現在許多項目所要求的90%，甚至更高。為了確保設計一套可靠的脫硝系統，使其始終保持理想的脫硝效率并同時保證氨逃逸最小化，在對系統中關鍵設備進行設計時，要充分考慮系統的實際運行條件，要求把工藝技術、催化劑技術和工程設計幾個方面緊密結合起來。
SCR脫硝工藝的反應原理是氨與NOx在催化劑表面上進行催化氧化還原反應，生成無害的氮氣和水，反應過程不會造成二次污染物。
若不安裝催化劑，上述反應要在均勻混合的氣相中900-1100℃溫度條件下才能發生。而在SCR脫硝工藝中，催化劑存在條件下化學反應發生的典型溫度為250-450℃。若使用特殊催化劑，工藝反應溫度還可以降至約200℃，也可以高至約550℃。
為取得系統設計要求的脫硝效率和NH3逃逸量限值，在設計中考慮充分地利用催化劑、盡可能使氨在煙氣中均勻分布是非常重要的。反應器入口的煙氣分布系統要確保煙氣在反應器截面上的均勻分布，以確保有效利用催化劑。
催化劑選型必須考慮煙氣特點和運行參數范圍，但是確保催化劑實現最佳催化效果的先決條件是正確設計關鍵設備，如：SCR反應器、煙道內部構件和噴氨系統，確保催化劑層均勻的煙氣流動條件以及氨和煙氣的均質混合是至關重要。通過CFD和實體模型對SCR脫硝裝置進行流場模擬是達到這一目的必不可少的手段。
二、托普索公司的脫硝催化劑
SCR脫硝工藝的核心是催化劑，噴入的氨與煙氣中的NOx在催化劑表面上反應生成氮氣和水蒸汽。通常采用的催化劑全是以多孔二氧化鈦作為載體，起催化作用的活性成份五氧化二釩和三氧化鎢分布在其表面。我公司脫硝催化劑具有不同的型號、不同的通道尺寸（通常叫節距）、壁厚和化學成份，根據實際運行工況進行選型。節距和壁厚受煙氣中灰量的影響，燃煤鍋爐脫硝系統一般采用大通道、最小壁厚0.8mm的催化劑。
1.催化劑中毒和設計中需要考慮的因素
在燃煤鍋爐高含灰煙氣SCR系統中，催化劑隨著活性的損失漸漸老化，主要是因為接觸煙氣中的飛灰。催化劑性能退化速率的估計、使用壽命的確定和催化劑的裝填設計必須考慮它的運行環境，如：毒物特性、灰塵濃度和潛在的磨損等，歸結如下：
飛灰成份對催化劑活性位的化學和物理影響，通常指催化劑中毒；
非常細的飛灰顆粒在催化劑表面沉積，會堵塞進入催化劑活性位的通道或減少其活性表面積；
催化劑孔中的硫酸氫氨冷凝液的抑制，會減小活性表面積；
催化劑孔的熱降解（燒結）會減小催化劑活性表面積；
催化劑通道的堵塞減少了所裝載催化劑的有效體積；
若SCR反應器中煙氣流動不均勻，飛灰中的顆粒會造成催化劑磨損。
如果脫硝系統設計不合理，任何類型的催化劑，如：板式、擠壓蜂窩式或波紋蜂窩式，都可能被磨損。
SCR脫硝系統催化劑選型設計需要考慮以下因素：
要求的脫硝效率；
反應器出口煙氣中未反應氨氣（氨逃逸）的最大容許量；
為避免后續設備不受硫酸氨影響，系統可接受的最大SO2/SO3氧化率；
催化劑理想壽命和基于煙氣中灰量和其它成分得出的催化劑預期失活速率。
很顯然，只有全面了解這些因素對催化劑性能的影響，才能選出最適合的催化劑型號。合理設計催化劑工藝，才能保證催化劑的最佳性能和最長的壽命。
2.托普索公司催化劑特點
托普索公司創立于1940年，擁有其自行開發的各種催化劑和工藝技術。公司在不斷發展的基礎上，還潛心致力于大量的研發工作，為各種運行工況條件提供最適合的催化劑。托普索公司擁有各種類型的催化劑制造技術，但在電廠煙氣脫硝系統中主要采用其脫硝專用波紋蜂窩催化劑，該催化劑集合了板式和擠壓蜂窩式催化劑的優點，對防止各種原因導致的催化劑中毒具有很好的抵抗能力。其優點概括如下：
1）由于托普索公司催化劑獨特的制造工藝，催化劑基板采用加固玻璃纖維，比金屬板式催化劑或擠壓蜂窩式催化劑重量要輕許多。由于重量輕，其運輸、吊裝都很方便，且對于SCR反應器鋼結構和地基的荷載比較小；
2）由于托普索脫硝催化劑的孔型為不規則形狀，采用獨特的波紋狀，所以其比表面積很大，且孔隙大小分布呈現多樣性。大、中、小孔隙按一定比例分布。試驗研究和實際運行經驗均證明了該催化劑結構對增加表面活性位，減少表面SO2氧化活性位是非常有利的。
3）根據顯微鏡觀察顯示，托普索催化劑具有三種大小不等的孔隙結構，分別為100A、1000-2000A和50000A。對于各種類型的催化劑，通常觀察到的砷氣多聚集在微孔內。所以與其它類型催化劑相比，托普索公司獨特的孔隙結構能大大減少砷氣聚集，從而減緩對催化劑的毒化；
4）由于具有柔韌的纖維結構，這種催化劑可以在高溫下運行，具有非常好的抗熱應力的能力。催化劑的邊緣經過加固，可以抵御含塵煙氣的磨蝕。催化劑運行溫度在220-450℃范圍內，可抵御800-900℃的高溫環境。催化劑可承受的最大溫升可達150℃/min，這是其它類型催化劑所無法相比的。
三、流場模擬
SCR反應器、煙氣通道、噴氨和混合系統的正確合理設計，是催化劑實現最佳性能的必要前提。在高塵脫硝裝置中，必須采取措施確保催化劑層的理想煙氣條件，以避免上述的催化劑堵塞或磨損所造成的損失。
運用CFD或實體模型進行煙氣流場模擬已被證實是達到上述設計的有效且必要的工具。模型工作通常的目的是：
確保噴氨之前煙氣流速高度均勻
驗證煙氣與氨的混合效果
在給定的約束條件下優化煙道和反應器的布置
開發并優化必要的流量控制裝置
確保第一層催化劑入口處煙氣速度高度均勻
確保煙氣流動與垂直流動方向夾角的偏差最小
確保不增加沉積灰量
使系統壓降最低
盡管使用功能強大的計算機進行計算流體力學模擬更快捷有效，但對飛灰的運動（如：沉積和二次夾帶）進行模擬的理論基礎仍很薄弱，而且導流板的優化經常需要反復。所以對于高塵脫硝系統設計，要實現預防灰沉降和磨損這些主要目標，通常采用行之有效的實體模型方法。
四、在國華臺山熱電廠應用
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臺山電廠目前有5×600MW燃煤機組，托普索公司為其5號機組設計了SCR脫硝系統，在2006年底啟動運行。托普索公司為其脫硝系統提供催化劑、系統關鍵設備和系統設計，包括實體模型試驗。基本設計數據如下：
600MW
煙氣流量1,900,000Nm3/h
兩層DNX催化劑
550mg/Nm3NOx
灰量14g/Nm3
高達94%的脫硝率
氨逃逸<3ppm
SO2氧化率<0.75%
該項目在選用催化劑時特別考慮了灰中高鈣成分(28.9%CaO)的影響，美國PRB煤項目中遇到過類似的高含鈣量的設計情況。氧化鈣會與煙氣中SO3反應生成石膏CaSO4而覆蓋催化劑表面，由于托普索脫硝催化劑具有三種孔徑分布，具有非常高的抵抗“中毒”的能力，包括由灰中高含鈣量所引起的“中毒”，即使表面有大量的石膏覆蓋，還會有到達活性位的可用通道。
該系統設計保證脫硝效率為94%，氨逃逸只有3ppm，實現這一設計需要催化劑具有高性能且對氨/NOx混合的要求更高。當要求高脫硝效率和低氨逃逸時，系統設計要素達到適宜平衡是非常關鍵的。對脫硝效率和氨逃逸量的要求越嚴格，對氨和煙氣（NOx）混合的要求越高。
托普索公司開發了專有混合裝置----星形混合器，由一些形狀為帶四角星的圓盤組成。星形混合器按照一定的角度安裝在煙氣中，使盤后氣流形成渦流。該裝置實現了短距離內的最佳混合效果，且壓損很小。
形混合器，并結合認真地流場模擬，可以使系統在達到94%脫硝效率、3ppm氨逃逸量所需的理想混合效果的同時，系統壓損小于339Pa（不包括催化劑層壓降）。
五、結論
托普索公司脫硝催化劑是經過實際運行驗證過的具有非常好的抵抗中毒能力的催化劑。系統設計充分考慮各種因素的影響，如：煤的高灰分、灰中含鈣、堿金屬等。系統還配備有效的催化劑清灰系統。在驗證高塵SCR系統設計合理性時，還應用煙氣流場模擬方法。流場模擬有兩種方式，一種是CFD模擬，另一種是實體模型模擬。在設計階段應用實體模型模擬可以驗證煙氣流速分布均勻性，確定煙氣流動調節裝置的布置，評估飛灰的沉積和分布狀況。
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