近年來，大氣污染現(xiàn)象日益嚴重，火力發(fā)電的環(huán)保要求也逐漸嚴格。對于重點地區(qū)的火電行業(yè)，燃煤電廠由于其環(huán)保原因正逐漸減少。對于如北京的環(huán)保重點地區(qū)，燃氣輪機的使用逐漸廣泛。燃氣輪機的NOX控制技術(shù)主要有干式低NOX燃燒器和尾部煙氣SCR脫硝方法。對于北京專門針對燃氣輪機的大氣污染物排放標準《固定式燃氣輪機大氣污染物排放標準》（DB11/847——2011），其提出了國內(nèi)為嚴格的NOX排放濃度限值30mg/m3。按照此標準，燃氣輪機只有采用燃燒后脫硝技術(shù)才達標。
目前，應用廣泛的煙氣脫硝技術(shù)是針對尾部煙氣的選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，即在尾部煙道位置放置固定床層的催化劑，在床層之前噴入NH3，利用催化劑實現(xiàn)NH3對NO的選擇性催化還原。SCR技術(shù)的整體效率是比較高的，而催化劑是SCR系統(tǒng)中的核心部分，其催化還原氮氧化物的能力直接影響整個系統(tǒng)的脫硝效率及運行狀況。目前已有的V-W/Ti系商用催化劑存在成本高昂、后處理困難等問題，限制了SCR脫硝技術(shù)的推廣應用。對于硫酸亞鐵SCR催化劑，任雯等已經(jīng)對其脫硝機理和制備進行了研究，并在燃煤鍋爐中進行了試驗，其在320℃時可以達到高達95%的脫硝效率。考慮到燃煤電廠與燃氣輪機的NOX濃度區(qū)別，本文主要介紹了鐵基硫酸鹽催化劑的制備，并在北京京橋熱電有限責任公司2#燃氣輪機機組上進行安裝試驗結(jié)果及其與電廠使用的V-W/Ti系商用催化劑脫硝效果對比。
1.京橋熱電廠脫硝系統(tǒng)簡介
京橋熱電廠建設(shè)有2臺350MW級燃氣——蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，其脫硝系統(tǒng)使用SCR技術(shù)，利用液氨作為還原劑對煙氣進行脫硝。每臺機組脫硝系統(tǒng)中的脫硝催化劑均采用單層水平布置，煙氣與氨混合后自下而經(jīng)催化劑模塊，氨與煙氣中的氮氧化物經(jīng)催化劑模塊催化發(fā)生反應。
催化劑布置，每臺機組催化劑分為7排布置，每排有6組催化劑模塊。每組催化劑都對應有一個煙氣測試點。每個點設(shè)有6個測試口，對應本排的每一個催化劑，每個測試點是用一個整體的圓盤把六個測試管集中固定的形式。
1#機組所用脫硝催化劑全為V-W/Ti系商用催化劑；2#機組中第4排原有的V-W/Ti系商用催化劑被更換安裝鐵基硫酸鹽的脫硝催化劑進行試驗。2#機第4排測試點更改為模塊上下各3個測試口。
2.催化劑制備
2.1 催化劑模塊基本參數(shù)
針對燃氣輪機煙氣中低粉塵、較低氮氧化物含量的特點，研究采用整體式蜂窩式單層催化劑的設(shè)計。鐵基硫酸鹽活性成分在催化劑內(nèi)均勻分布，以適用于燃氣輪機SCR的工業(yè)應用。為了便于催化劑活性降低后進行更換，按照預設(shè)安裝面積及催化層厚度，事先組裝好后整體吊裝至煙道內(nèi)。
目前電廠使用的催化劑模塊有兩種形式，一是尺寸為1412×946×586（單位：mm，長×寬×高，下同）的小模塊，另一種是尺寸為1878×946×586的大模塊。根據(jù)現(xiàn)場狀況，新型催化劑模塊框架需要提供兩種，規(guī)格分別為：1878×946×586和1412×946×586，填充高度在400mm左右。
所制備的整體式蜂窩狀催化劑：截面積150×150mm，單元格邊長7.1mm，壁厚1.1mm，孔數(shù)18×18，催化劑長度400mm。
2.2 鐵基硫酸鹽催化劑的原料選擇
根據(jù)前人的研究成果，鐵基硫酸鹽催化劑催化脫硝的主要成分為Fe（OH）SO4。同時，550℃以上鐵基硫酸鹽分解并釋放SO2。為了盡可能的Fe（OH）SO4的存在，催化劑選擇在500℃左右燒成的TiO2蜂窩陶瓷。TiO2有三種晶型：板鈦礦、銳鈦礦和金紅石。其中銳鈦礦型TiO2的具有較大比表面積，適合擔載催化劑。高溫下銳鈦礦會向金紅石轉(zhuǎn)變而導致比表面積大幅度下降，轉(zhuǎn)換溫度為550～600℃。TiO2需要一定量的WO3來增強其熱穩(wěn)定性，抑制其向金紅石方向轉(zhuǎn)化。為了盡可能增加活性物質(zhì)的含量，采用FeSO4以水溶液的形式添加在催化劑成型過程中，并適當增加FeSO4~7H2O粉末。
催化劑主體材料即確定為摻雜一定量的WO3的銳鈦礦型TiO2，活性材料以FeSO4形式添加。為了提高催化劑性能，選用粘土、羧甲基纖維素鈉、聚氧化乙烯等作為粘結(jié)劑；選用聚氧化乙烯、甲基纖維素等作為造孔劑；選用甘油、田箐粉等作為脫模劑；選用聚丙烯酰胺、蘇州土、單乙醇胺等作為保水劑；使用玻璃纖維提高強度。
從鐵基硫酸鹽催化劑原材料選擇，即可發(fā)現(xiàn)此催化劑不存在有毒有害的重金屬。相比于商用V2O5-WO3/TiO2催化劑，催化劑失活后只需作為普通固體廢棄物處理即可。
2.3 制備過程
蜂窩狀催化劑的生產(chǎn)過程和一般陶瓷的工藝是一致的，大致要經(jīng)歷混料、成型、干燥、燒成等過程。
2.3.1混料
根據(jù)物料比例，將多組分的原料按照一定的加料順序混合，通過機械攪拌至各組分分布均勻。在鐵基硫酸鹽催化劑制備過程中，F(xiàn)eSO4以溶液形式加入，TiO2和多數(shù)助劑是粉狀物料。干濕物料混合過程中，粘結(jié)劑在水的作用下形成粘性分子，可以促進原料分子之間的粘合，后形成具備可塑性的泥料。
2.3.2練泥、陳腐
練泥和陳腐均是陶瓷工業(yè)中的常見過程，練泥和陳腐能夠改善泥料的工藝性能并且提高泥料的可塑性和干燥強度。鐵基硫酸鹽催化劑制備工藝中采用真空練泥機進行練泥，將泥料放置于封口塑料袋中避光保存以實現(xiàn)陳腐過程。真空練泥1～3遍左右，陳腐時間為24～48小時，根據(jù)原料性能進行適當調(diào)整。
2.3.3成型
按照京橋熱電廠催化劑的幾何尺寸要求，選用擠壓成型方法。成型過程在水平連續(xù)擠出機上完成。該擠出機生產(chǎn)的截面為150×150mm的蜂窩體長度可以達到1.2m以上，截去兩端毛刺部分，模塊長度可以滿足現(xiàn)場400mm的幾何要求。
2.3.4干燥
干燥成型泥胚的目的是排除其內(nèi)部的游離水。由于泥坯內(nèi)部水分的蒸發(fā)，會造成泥胚一定程度的收縮和變形，而泥坯內(nèi)干燥收縮的不均勻還會產(chǎn)生一定的內(nèi)應力，導致泥坯開裂。因此干燥過程在蜂窩陶瓷的制備工藝中非常重要，對產(chǎn)品的成品率起著決定性的作用。對于鐵基硫酸鹽TiO2蜂窩陶瓷，為了避免干燥開裂，采用延長干燥時間，降低干燥速率的方法。制備過程中通過對干燥溫度和濕度的控制，降低泥坯干燥速率，干燥時間約為15天左右。
2.3.5燒成
燒成過程中除了泥胚內(nèi)結(jié)合水的蒸發(fā)，多數(shù)助劑也通過分解或燃燒而排除，同時泥坯內(nèi)部顆粒發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長大而提高制品的強度。影響燒成過程的因素有很多，包括原料及助劑的成分、燒成溫度、燒成時間等，其過程中也可能會存在開裂的現(xiàn)象。鐵基硫酸鹽催化劑制備工藝中的活性成分對燒成溫度有要求，為了硫酸鹽形式，燒成溫度應該選取550℃以下。經(jīng)過試驗，實際制備過程中的燒成溫度為480℃即可滿足要求。
經(jīng)歷混料、成型、干燥、燒成等過程制備成的鐵基硫酸鹽催化劑經(jīng)過性能檢驗，即可用于燃氣輪機煙氣脫硝技術(shù)。
3.鐵基硫酸鹽催化劑性能檢測
3.1 鐵基硫酸鹽催化劑比表面積測試
利用氮吸附儀對制備的催化劑模塊進行比表面積測試，分別將模塊破碎為毫米級別的小塊和研磨為細顆粒進行測試。比表面積測試結(jié)果如表所示。
3.2 鐵基硫酸鹽催化劑應用性能檢測
鐵基硫酸鹽催化劑已安裝使用1年。利用京橋熱電廠催化劑層的檢測口，使用便攜式煙氣分析儀對催化劑層煙氣進行檢測。
測試儀器：德國RBR益康 ECOM-J2kN便攜式多功能煙氣分析儀；
通過2#機組催化劑檢測口鐵基硫酸鹽模塊的安裝標記可以確定檢測管位置：催化劑模塊上下各3個測試口。而安裝商用V2O5-WO3/TiO2催化劑的各排僅能確定檢測口對應的檢測管位于催化劑模塊上方。因此，以鐵基硫酸鹽催化劑模塊下方測試數(shù)據(jù)平均值，作為催化劑層NOX入口濃度；以鐵基硫酸鹽催化劑模塊上方測試數(shù)據(jù)平均值，作為鐵基硫酸鹽催化劑NOX出口濃度；以商用V2O5-WO3/TiO2催化劑的各測試點數(shù)據(jù)平均值，作為V2O5-WO3/TiO2催化劑NOX出口濃度。經(jīng)多次測量，測試管處溫度在290-310℃范圍內(nèi)波動?！　「鶕?jù)催化劑層NOX濃度數(shù)據(jù)，分別計算兩種催化劑的脫硝率。
3.3 數(shù)據(jù)分析
3.3.1 比表面積
將數(shù)據(jù)與商用V2O5-WO3/TiO2催化劑比表面積相比，二者基本一致，說明本實驗制備的整體式催化劑能夠提供較大的比表面積，具有作為煙氣脫硝催化劑的基礎(chǔ)。
3.3.2 脫硝性能
可以看到，煙氣未經(jīng)催化劑前與氨混合反應后即可滿足標準GB13223——2011要求；兩種催化劑脫硝后煙氣NOX含量均可以達到30mg/m3，能夠滿足北京市環(huán)保標準要求。但兩種催化劑的脫硝效率并不高，高僅為60.77%。相比于SCR催化劑的佳脫硝效率，兩者均較低。
分析其原因可能有以下幾點：
1） 催化劑層模塊有堵塞現(xiàn)象存在，導致部分催化劑模塊未起到作用，表現(xiàn)為總體脫硝效率較低；
2） 催化劑層所處溫度較低，兩種催化劑脫硝效率不能達到佳脫硝效率；
3） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，催化層入口NOX濃度僅為47mg/m3左右，實際氮氧化物的含量低，使得催化性能不佳。
4. 結(jié)語
隨著公眾環(huán)保意識的逐漸提升和國家環(huán)保標準的日益嚴格，燃氣輪機的使用將會越來越廣泛。作為現(xiàn)有商用V2O5-WO3/TiO2催化劑的潛在替代品，鐵基硫酸鹽系列催化劑能較好的解決前者成本高昂、后處理困難等問題。經(jīng)實驗測試，新型的鐵基硫酸鹽催化劑已可以使用在燃氣輪機上，使其滿足環(huán)保要求。