优美科波纹式DNX-GT催化剂及技术 在大型燃气轮机烟气SCR脱硝装置上的应用经验

大气网讯:摘要：优美科公司为用户提供燃气轮机烟气SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法）脱硝催化剂及关键技术的解决方案，在催化剂的应用、SCR风烟系统的均布优化设计、还原剂选择及催化剂安装等方案提供优质催化剂及技术支持。本文系统总结了优美科公司在大型燃气轮机烟气SCR脱硝催化剂及技术在实际应用中的主要经验，以使SCR脱硝系统达到合乎设计目标的脱硝性能。

关键词：优美科、SCR催化剂及技术、DNX-GT、燃气轮机

1NOx及SCR法原理

工业装置排放的氮氧化物（NOx）是一个主要的全球污染问题，对人类健康和环境的危害很大。排放到大气中的NOx可以与水结合，是形成雾霾和酸雨的重要组成部分。此外，NOx与挥发性有机化合物和阳光结合可导致地面臭氧的形成。其主要以NO和NO2的形式存在。NOx的来源主要是燃烧过程，在燃料燃烧期间，燃气中的氮元素以及助燃空气中的氮气被高温氧化为NOx，即燃料型NOx和热力型NOx。

现有的脱除烟气中NOx的工艺主要有SCR法、臭氧法和活性炭法。其中SCR法系统最为简单，运行最为稳定，NOx脱除效率也最高，适用于烧结机达标排放以及将来超低排放的应用。

SCR（Selective Catalytic Reduction，选择性催化还原法）法是当今最主流的脱硝工艺，其基本原理是氨气与氮氧化物经过催化剂活性表面发生还原反应生成无害的氮气和水，不形成任何二次污染。

4NO + 4NH3+ O2→ 4N2+ 6H2O （1）

2NO2+ 4NH3+ O2→ 3N2+ 6H2O (NO2/NOx>0.50) （2）

NO + NO2 + 2 NH3 →2 N2 + 3 H2O (NO2/NOx≤0.50) （3）

上述反应中，（3）反应非常快，（1）较快，（2）较慢。故而在NO2含量较多的应用中，需要合理设计，使催化剂具有足够的活性。

SCR系统需要用氨作为还原剂，一般由喷射装置喷入到反应器中。氨的来源，除了液氨蒸发，还有氨水气化、尿素分解等。

2大型燃气轮机烟气SCR脱硝的特点及优美科SCR催化剂的解决方案

2.1大型燃气轮机烟气SCR脱硝的特点

燃气轮机有D、E、F、G、H等一系列型号，越高级别功率越大。F级燃气轮机的功率可达250MW，联合循环的能达到400MW以上。

对于大型燃气轮机热电厂，通常定位为供电供热调峰，工况变化快，温度变化快，其燃料通常为天然气，其烟气流量较大（为同功率燃煤机组的约2倍）、风烟系统流速较快，烟气中NOx含量较低，几乎没有灰尘，无SO2，通常只有25ppm左右，风烟系统对压力损失较为敏感，NH3逃逸要求严格，经济发达区域率先要求燃气轮机NOx“超低排放”，燃气轮机启动及低负荷时有“黄色烟羽”现象。

如上诸多因素中，有的方面有利于SCR工艺的实施，有的方面则对SCR的实施造成较大的挑战。

2.2优美科SCR催化剂的解决方案

优美科公司波纹式SCR脱硝催化剂在国内已有70余台燃气轮机SCR脱硝使用业绩。

优美科的DNX脱硝催化剂外形如起伏的波纹，从而形成波纹孔。加工工艺是先制作加强玻璃纤维板形成矩阵，然后将玻璃纤维板矩阵浸渍在TiO2浆液中，再经过干燥、煅烧，此时的玻璃纤维矩阵上已负载有具有丰富多孔结构的锐晶态TiO2以作为活性物质的化学载体，煅烧后的玻璃纤维载体再浸渍到含有V和W的前驱物溶液中，再经过第二次干燥、煅烧，此时的催化剂则负载有活性物质WO3和V2O5。

这种“两次浸渍-煅烧”的成型工艺生产的催化剂具有良好的多孔结构，能使活性成分均匀分布于表面，以产生更多的活性点。特殊的微孔结构又大大降低了SO2的氧化活性，从而降低了SO2的氧化性与SCR的反应活性比。在商业运行和试验室规模的装置上都验证了这种催化剂具有非常低的SO2氧化活性。通过对在欧洲和美国的燃煤机组上进行的催化剂性能测试，SO2的氧化率都低于保证值。

由于具有柔韧的纤维结构，这种催化剂可以在高温下运行，且具有抵抗热应力的能力。被加固的催化剂边缘可抵御含尘烟气的冲刷。

优美科的公司持续对DNX脱硝催化剂进行研发以不断改进其性能，并针对不同的应用领域研发具有针对性的专有催化剂，例如针对燃气轮机余热锅炉烟气脱硝的DNX-GT系列催化剂，针对FCC余热锅炉尾气的DNX-FCC催化剂等，使得催化剂的适应性更强，实现性能最好、用量最少、投资最小、运行维护便利的目标。

优美科的DNX-GT催化剂是在原有DNX-929系列脱硝催化剂的基础上研发的。DNX-929系列脱硝催化剂普遍应用于包括燃气轮机余热锅炉烟气脱硝在内的低含尘烟气的脱硝处理工程上，而DNX-GT催化剂则专门应用于燃气轮机余热锅炉烟气脱硝，与DNX-929系列脱硝催化剂比较，DNX-GT催化剂在以下方面得到了改进：

●催化剂壁更薄。得益于独特的波纹式结构，在催化剂基材波纹板的卷制时更加容易做到薄壁并且保证成型的准确性。

●节距更小、CPSI更大。即单位面积上的孔数更多，有利于压力损失的降低。

●开孔率更大。有利于催化剂床层的压力损失的降低。

●比表面积更大。有利于获得更高的催化剂活性。

●催化剂用量更小。在同等条件下，催化剂用量更小，总重量更轻。

●活性更高。通过改进活性物质在催化剂内部的分散性以获得更高活性。

●脱硝效率更高。由于DNX GT-201催化剂的活性增高，在同等条件下可以达到更高的脱硝效率。

●氨耗量更小。由于活性增大，减小氨的逃逸率，从而降低氨的耗量。

●耐热冲击性能优良，升降温速率可达150℃/min。

图1优美科DNX系列SCR催化剂截面示意图

故此，优美科可为用户提供如下解决方案：

●脱硝效率可达98％时氨逃逸率小于1ppm

●使用寿命超过8年无替换

●SO2氧化率最低可到0.05%

●对催化剂基础的研究开发世界领先

●催化剂定制

●流场模型优化

●喷射混合技术

●催化剂模块密封系统

●催化剂测试管理

2.3DNX GT的应用

优美科DNX GT-201有很高的活性，且活性衰减速率非常低，催化剂适用寿命可长达5~8年。

图2 DNX-GT在9F燃气轮机烟气脱硝的应用

反应温度vs脱硝效率

DNX-GT系列催化剂具有广泛的反应温度窗口，在180~540℃的温度范围内均具有催化活性。

图3 DNX-GT催化剂化学寿命vs相对活性

DNX-GT系列催化剂的活性衰减十分缓慢，即使在运行50000h以后，其相对活性依然可以保持在85%以上。

DNX-GT系列催化剂在大型燃气轮机脱硝应用中，催化剂床层的压力损失通常＜120pa，其得益于DNX-GT较大的开孔率及较大的比表面积。在美国阿拉巴马州联合循环Siemens 501F项目上，由于优美科催化剂在压力损失上的巨大优势，使燃气轮机的功率增加了4.3MW。

3系统设计

3.1SCR反应器流场设计

烟气在SCR反应器入口的均匀度，包括烟气流速、NH3/NOx分布、温度对SCR脱硝效率具有显著的影响，尤其是NH3/NOx分布的影响尤其明显。

图4 DNX-GTNH3/NOx分布vs脱硝效率

CFD可以模拟烟气在SCR反应器入口的均匀度，目标为使得烟气在催化剂入口（上游0.5m处）烟气与氨气混合充分，且均匀分布于反应器中：

烟气速度的最大标准偏差为10%；

氨气与氮氧化物摩尔比的标准偏差最大为15%。

相对标准偏差的定义：

烟气温度比平均值的最大偏差在±10℃范围内。

SCR系统压力损失（喷氨格栅上游0.5m至催化剂下游0.5m）不大于800Pa。

得出模拟范围内烟气线速度、NOx浓度、NH3分布、压力场云图及AIG和流场改善内构件的压力损失数据，设计流场改善内构件的外形及在SCR系统中的布置。

3.2还原剂制备、喷射及混合

在燃气轮机烟气脱硝实际工程应用中，出于安全考虑，通常采用氨水或者尿素作为SCR反应还原剂的来源。

优美科公司可以优化氨水的气化、分布设计，亦可以进行尿素分解制备氨气、喷射及混合的设计，以高效、节能、简便为宗旨。

4黄色烟羽

燃气轮机处于低负荷运行时（燃气轮机启动，或负荷＜60%），烟气中的NO2占NOx的比例在75~99%之间，余热锅炉烟囱会有“黄色烟羽”的风险。

“黄色烟羽”的产生，主要是烟气中NO2含量增加导致的，其产生与烟气中的超氧水含量、CO含量有关：

NO + HO2 → NO2 + OH

CO + NO + O2 → NO2 + CO2

SCR反应将以如下反应为主，此反应速率较慢：

2NO2+ 4NH3+ O2→ 3N2+ 6H2O (NO2/NOx>0.50)

此时虽然烟气流量较小，而烟气温度也较低，催化剂活性小，反应不充分时易产生“黄色烟羽”。

优美科公司依据多年的设计、应用经验，充分考虑燃气轮机不同负荷下的烟气条件，使催化剂在不同燃气轮机负荷下，尤其是燃气轮机启动及低负荷时均可满足NOx的排放要求。

5催化剂安装布置

优美科公司DNX-GT系列催化剂可以灵活方便地安装布置，可以适应卧式及立式的燃气轮机余热锅炉，即烟气水平流动或者竖直流动。

5.1烟气水平流动

图5卧式余热锅炉催化剂安装

5.2烟气竖直流动

图6 立式余热锅炉催化剂安装

6结论

本文系统总结了优美科公司在大型燃气轮机烟气SCR脱硝催化剂及技术在实际应用中的主要经验，欲获取合乎设计目标的脱硝性能，应从以下几个方面进行设计：

1)选取活性高、压降低、化学寿命长、耐热冲击性能优良的DNX-GT脱硝催化剂；

2)优化SCR反应器风烟流场设计，使烟气流速、NH3/NOx分布、温度的分布均匀；

3)合理选择还原剂源，有效制备还原剂氨，优化氨水的气化、分布设计，尿素分解制备氨气、喷射及混合的设计；

4)考虑燃气轮机启动时，或低负荷运行时NO2比例增大、催化剂活性较小（反应温度低）工况，预防“黄色烟羽”的发生。

5)适应卧式及立式的燃气轮机余热锅炉，催化剂可以灵活方便地安装布置。

延伸阅读：

优美科DNX催化剂在宝钢四号烧结机的应用