1、基于 SCR 脱硝催化剂质量评判下的排序优化及效益分析黄奎1，何姗姗2，刘海秋11.国电环境保护研究院有限公司2.生态环境部环境发展中心摘要以某一燃煤电厂 3 层催化剂 M2-N1-N2为实例，通过测试主要化学成分、比表面积、微量元素及脱硝率等指标，分析评判现有 3 层催化剂质量优劣，并优化 3 层催化剂的排序，确保 NOx达标排放。结果表明：与 SCR 催化剂 N1、N2相比，SCR 催化剂M2中 CaO、Al2O3等主要化学成分浓度小，参与烟气中 SO3气体反应生成 CaSO4和 Al2(SO4)3的量较少，且不易在孔道中沉积，同时，烟气和飞灰中 Na、Mg、Fe、K 等微量元素在催化剂
2、M2表面产生的积聚量少，占据有效酸性位点数量少。通过测试整体脱硝率及单层脱硝率、优化原排序三层催化剂的顺序，确保了新排序下整体脱硝率满足 NOx排放要求，并从环境-经济-资源多维度进行效益分析，不同置换方法下的经济成本核算表明，新排序下 SCR 催化剂为该厂节省 471.9 万或 330 万元，节约了新鲜催化剂的制造资源，规避了催化剂在制造或处置过程中造成的环境污染环节，延长了催化剂使用寿命。关键词优劣评判；优化排序；超低排放；效益评估中图分类号：X701文章编号：1674-991X（2023）02-0534-07doi：10.12153/j.issn.1674-991X.20220270Se
3、quencing optimization and benefit analysis based on quality evaluation ofSCR denitration catalystHUANGKui1,HEShanshan2,LIUHaiqiu11.GuodianEnvironmentalProtectionResearchInstituteCo.,Ltd.2.EnvironmentalDevelopmentCenteroftheMinistryofEcologyandEnvironmentAbstractTakingthethree-layercatalystM2-N1-N2of
4、acoal-firedpowerplantasanexample,theindexesofmainchemicalcomposition,specificsurfacearea,traceelementsanddenitrationefficiencyweretested,thequalityoftheexisting three-layer catalyst was analyzed and evaluated,and the sequencing of the three-layer catalyst wasoptimized,toensureNOxtomeettheemissionsta
5、ndard.Theresultsshowedthat,comparedwithSCRcatalystN1/N2,SCRcatalystM2hadlesschemicalcompositionofCaOandAl2O3,whichreactedwithSO3gasinthefluegastogeneratelessamountofCaSO4andAl2(SO4)3,anditwasnoteasytodepositinthechannel.Atthesametime,traceelements,suchasNa,Mg,FeandK,inthefluegasandflyashaccumulatedl
6、essonthesurfaceofcatalystM2andoccupiedlesseffectiveacidsites.Theoveralldenitrationefficiencywastested,andthedenitrationefficiencyofthesingle-layerSCRcatalystwasalsoexplored.Theoriginalsequencingthree-layercatalystwasoptimizedtoensuretheoveralldenitrationefficiencytomeetNOxemissionrequirementsunderth
7、enewsequencing.Thebenefitanalysiswascarriedoutfromthemulti-dimensionsofenvironment,economyandresources.TheeconomiccostaccountingunderdifferentreplacementmethodsshowedthatSCRcatalystunderthenewsequencingcouldsave4.719millionyuanor3.3millionyuanfortheplant.Moreover,itcouldsavethemanufacturingresources
8、ofthefreshSCRcatalyst,andavoidthelinksofenvironmentalpollutioncausedbythemanufactureandhandlingoftheSCRcatalyst.SCRcatalystrecycledwouldalsoprolongthelifespanofthecatalyst.Key wordsqualityevaluation;sequencingoptimization;ultra-lowemission;benefitevaluation收稿日期：2022-03-23基金项目：江苏省重点研发计划（社会发展）项目（BE202
9、0754）作者简介：黄奎（1988），男，硕士，主要从事大气污染治理研究，Vol.13，No.2环境工程技术学报第13卷，第2期Mar.，2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年3月黄奎，何姗姗，刘海秋.基于 SCR 脱硝催化剂质量评判下的排序优化及效益分析 J.环境工程技术学报，2023，13（2）：534-540.HUANG K,HE S S,LIU H Q.Sequencing optimization and benefit analysis based on quality evaluation of SCR denit
10、ration catalystJ.Journal ofEnvironmentalEngineeringTechnology，2023，13（2）：534-540.选择性催化还原工艺因工艺成熟、应用广泛，已成为燃煤电厂烟气脱硝系统的首选工艺。该工艺核心是 SCR 催化剂，其主要化学成分(TiO2、Al2O3、SiO2、CaO、V2O5)、微量元素（K、Na、Fe、Mg）浓度将直接影响脱硝系统的脱硝率1-5。目前，我国大部分燃煤电厂采用“2+1”模式安装脱硝催化剂层，即先安装上、中 2 层催化剂，预留下层安装空间，随着上、中 2 层 SCR 催化剂脱硝率的逐渐降低，启用下层 SCR 催化剂，确保烟
11、气达标排放。一般地，当脱硝反应器运行 24000h 后或烟气中 NOx浓度将要达排放临界点时，电厂优先考虑更换上层 SCR 催化剂，将中层 SCR 催化剂调至上层，并采购新鲜 SCR 催化剂加装至中、下层反应器中，替换掉的上层 SCR 催化剂被回收再生处理或废弃处置。然而，电厂未充分考虑 SCR 催化剂自身的质量优劣和在不同反应器中的运行环境，仅简单地依据运行时长或整体脱硝率达不到排放要求而更换 SCR 催化剂或增加层数，这样极易导致浪费资源、破坏环境和增加经济成本6-12。基于上述现状，为深入分析 NOx超标排放的原因，笔者通过检测催化剂主要化学成分、微量元素浓度，评判各层催化剂质量的优劣，
12、优化催化剂层排序，确保 NOx达标排放，以期为该类工程提供借鉴。1材料与方法 1.1试验样品依托某燃煤电厂机组脱硝系统，采用“2+1”安装模式，电厂首先采购 M 厂生产的 SCR 催化剂并安装在上、中层反应器中，随着超低排放政策的实施，电厂废弃上层催化剂，将中层催化剂(M2)换至上层，另将 N 厂生产的 SCR 催化剂 N1和 N2分别加装在中、下层反应器中，改造后整体设计脱硝率为87.5%。截至 2021 年 8 月，脱硝系统反应器运行时间已超 24000h，满足 SCR 催化剂抽样检测要求，根据现场抽样人员对上、中、下 3 层反应器排查可知，反应器上端的 SCR 催化剂迎风面存在少量积灰，
13、未出现堵塞、磨损及坍塌现象，催化剂外观整体较好，反应器下端的 SCR 催化剂背风面未存在积灰，孔道形状清晰，也未出现磨损和坍塌现象（图 1）。为了评判 3 层催化剂质量优劣及使用寿命，现场抽样人员从上、中、下层反应器中各抽取 1 根催化剂，用作实验室待测样品。1.2试验方法及仪器1.2.1主要化学成分的检测方法及仪器根据 GB/T315902015烟气脱硝催化剂化学成分分析方法，采用熔融法制备测试样片，如图 2所示。按照标准要求称取 5 组已知不同浓度的TiO2、WO3、CaO、SiO2、V2O5、Al2O3等高纯度物质并置于铂金坩埚中搅拌均匀，分别加入 0.5mL 饱和碘化铵，将铂金坩埚及脱
14、模具置于高频熔样炉中，通过高频熔样炉加热至 1150 并摇匀，待冷却后置于 X 射线荧光光谱仪中进行检测，绘制出 V、Al、Ti、Ca、Si 及 W 标准曲线，如图 3 所示。催化剂 M2、N1和 N2的检测样片的制备与标准样片步骤一致。图 2 熔融法制备测试样片Fig.2Preparationoftestsamplesbymeltingmethod1.2.2微量元素的检测方法及仪器根据 GB/T347012017再生烟气脱硝催化剂微量元素分析方法中脱硝催化剂微量元素分析方法和 GB/T394862020电感耦合等离子体质谱分析方法通则中电感耦合（ICP-AES）等离子体质谱分析方法，利用 G
15、SB04-1766-2004 标准溶液和 GSB04-1764-2004 标准溶液绘制 Na、Mg、Fe、K 的标准溶液曲线，如图 4 所示。对于催化剂粉末样品，首先从催化剂 M2、N1和 N2分别称量 0.2g 催化剂粉末试样，置于 50mL 聚四氟乙烯消解罐中，加入 2mLHNO3和 2mLHF，于电热板上 145 恒温加热至充分溶解，冷却至室温后移入 100mL 容量瓶中用去离子水定容稀释，作为待测溶液，并编号为 M2、N1和 N2。1.2.3脱硝率的检测方法及仪器根据 GB/T315872015蜂窝式烟气脱硝催化图 1 在役 SCR 催化剂运行现状Fig.1Operationstatu
16、sofSCRcatalystinservice第2期黄奎等：基于 SCR 脱硝催化剂质量评判下的排序优化及效益分析535剂和 DL/T12862013火电厂烟气脱硝催化剂检测技术规范，创建脱硝装置，如图 5 所示。向装置中缓慢通入氮气、空气、水、NOx、NH3及 SO2，模拟燃煤烟气成分，待系统稳定和测试条件符合要求后，图 3 V、Al、Ti、Ca、Si 及 W 标准曲线Fig.3StandardcurvesofV、Al、Ca、Si、TiandW图 4 微量元素的标准溶液曲线Fig.4StandardsolutioncurvesofNa,Fe,MgandK536环境工程技术学报第13卷利用烟气分析仪测定反应器上、中、下入/出口 NOx浓度，并记录为 A1上、A1中、A1下。2结果与讨论 2.1SCR 催化剂质量评判2.1.1主要化学成分利用 X 射线荧光光谱仪采用定量法(熔样法)进行样品中主要化学成分浓度检测和分析，检测结果见图 6。图 6 不同催化剂的主要化学成分浓度Fig.6Contentsofmainchemicalcomponentsofdifferentcatalysts由图
