江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

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選擇性催化還原SCR法煙氣脫硝技術(shù)（三）

江旭昌

天津市博納建材高科技研究所，天津 300400

（上接2016年2期）

4.1.2催化塔的安裝位置

催化塔是SCR法脫硝系統(tǒng)中一個(gè)最大的設(shè)備或裝置，由于其內(nèi)部需要安裝多個(gè)床層的催化劑，所以一般都很高。如果自身獨(dú)立布置，考慮風(fēng)、雪等載荷的作用，必然需要很強(qiáng)固的鋼結(jié)構(gòu)支撐；另外，催化塔所要脫硝的煙氣都由窯尾預(yù)熱器C1筒排出。因此，催化塔一般都靠近窯尾塔架安裝。這樣，不僅可以節(jié)省鋼結(jié)構(gòu)的費(fèi)用，而且還可縮短煙氣管道，節(jié)省管道的建造費(fèi)用，同時(shí)，為操作維護(hù)創(chuàng)造方便條件（窯尾塔架的電梯可以共用）。

4.2催化劑

催化劑是煙氣SCR法脫硝系統(tǒng)中核心之核心元件，其性能的優(yōu)劣決定著催化塔的性能，催化塔的性能又決定著整個(gè)脫硝系統(tǒng)的性能。因?yàn)榇呋@個(gè)容器就是為置放催化劑而設(shè)置的，所以有人將催化塔稱為“SCR裝置”。催化劑的性能概括說(shuō)就是兩個(gè)：一個(gè)是脫硝效率；另一個(gè)是對(duì)煙氣溫度的適應(yīng)性。嚴(yán)格地說(shuō)，SCR法與SNCR法脫硝系統(tǒng)的重要區(qū)別，就在于它在較低的煙氣溫度條件下就能達(dá)到比SNCR法更高的脫硝效率。這一特性，對(duì)煙氣脫硝要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，具有特殊的重大意義。尤其對(duì)水泥窯爐所排放煙氣的脫硝就更為明顯，如果適用于100～120 ℃的低溫催化劑研發(fā)成功，就可實(shí)現(xiàn)低溫低塵的布置方式，其建設(shè)投資就可大大減少。所以說(shuō)，低溫催化劑的研發(fā)便成為國(guó)內(nèi)外最重要的攻關(guān)課題之一。

4.2.1催化劑的構(gòu)成及種類

催化劑的構(gòu)成是指催化劑單元物質(zhì)的材料、形狀和尺寸等，其種類是指適用的溫度范圍和外觀的形貌等。

4.2.1.1催化劑的構(gòu)成

所有SCR法脫硝所用的催化劑都由兩部分構(gòu)成：一是反應(yīng)活性物質(zhì)；二是反應(yīng)活性物質(zhì)載體。反應(yīng)活性物質(zhì)以不同的方法附著在載體表面，與載體一起形成一塊完整不同截面形狀的催化劑單元，既便于制造、搬運(yùn)又可靈活碼裝成催化劑模塊，在使用時(shí)還便于更換。

（1）催化劑的材料。催化劑活性物質(zhì)的材料主要是五氧化二釩（V2O5），約占10%～20%。此外還有少量的三氧化鉬（MoO3）或者三氧化鎢（WO3）等作為輔助活性材料，約占3%～7%。催化劑載體的主要材料是二氧化鈦（TiO2），約占80%～90%。催化劑的催化活性是衡量催化劑性能的重要指標(biāo)，主要與反應(yīng)溫度和V2O5的含量有關(guān)，含量越多，反應(yīng)能力越強(qiáng)。催化劑的活性就是指其催化的反應(yīng)能力，反應(yīng)能力越強(qiáng)，則系統(tǒng)的脫硝效率就越高。目前，工業(yè)上較廣泛應(yīng)用的是稱為“銳鈦型催化劑”，即以TiO2為載體也就是催化劑的“骨架”、V2O5為主要活性物質(zhì)并加入少量的WO3和MoO3等金屬氧化物作為輔助活性物質(zhì)制成的各種催化劑。

（2）催化劑橫截面的結(jié)構(gòu)參數(shù)。一個(gè)催化劑單元就是一塊催化劑，一塊催化劑的橫截面有無(wú)數(shù)個(gè)孔道。當(dāng)含氮氧化物（NOx）的煙氣經(jīng)過(guò)這些孔道時(shí)，就會(huì)與催化劑的活性物質(zhì)進(jìn)行催化反應(yīng)，達(dá)到脫硝的目的。這些孔道的形狀目前基本上有正方形的（即稱為蜂窩式的催化劑）、平行矩形的（稱為平板式催化劑）和有波紋形的（稱為波紋板式催化劑），如圖22所示。

為了描述這些催化劑孔道結(jié)構(gòu)的技術(shù)特性，采用以下三個(gè)參數(shù)，即節(jié)距或稱間距p、煙氣流通孔道的大小或板間距d和其內(nèi)壁厚度t，三者之間的關(guān)系為p＝d＋t。有人將催化劑的端面孔道稱為“開口”，實(shí)際上不僅是開口，整個(gè)縱向孔道形狀和尺寸與其開口都是相同的。這些形狀和尺寸對(duì)催化劑的性能都有影響，特別是對(duì)煙氣含塵濃度具有重要影響。

圖22　催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

4.2.1.2催化劑的種類

催化劑的種類，按適用溫度可分為三類，按流道孔口形狀也可分為三類，按其單元橫截面形狀同樣還可分為三類。

（1）按適用溫度分類。催化劑的種類可以按適用溫度分成高溫催化劑、中溫催化劑和低溫催化劑三類，詳見表4。

表4　按適應(yīng)溫度分的催化劑種類

水泥回轉(zhuǎn)窯燒成系統(tǒng)窯尾排出的煙氣，不僅含塵濃度很高，約為80～100 g/Nm3，而且堿金屬含量也較高，很容易使催化劑堵塞和中毒。如果將SCR脫硝裝置安裝在窯尾收塵器之后，廢氣含塵高的問題解決了，可溫度又不適應(yīng)。因?yàn)橐话愦呋瘎┑倪m應(yīng)使用溫度都在300～400 ℃之間，可是窯尾收塵器后的煙氣溫度僅在100～150 ℃范圍。為此還必須對(duì)此處的煙氣進(jìn)行加熱升溫或稱二次加熱，不僅大大增加了費(fèi)用，而且也浪費(fèi)了能源，與當(dāng)前國(guó)家強(qiáng)調(diào)的節(jié)能減排政策相悖。另外，其他工業(yè)部門所用的回轉(zhuǎn)窯、工業(yè)鍋爐、冶金燒結(jié)爐和石化裂解爐等排出的煙氣溫度雖然不盡相同，但都比水泥窯排出的廢氣溫度低。為了增強(qiáng)SCR法脫硝的適應(yīng)范圍，我國(guó)北京工業(yè)大學(xué)研發(fā)出了適應(yīng)溫度在160～400 ℃范圍的SCR催化劑，具有優(yōu)異的低溫催化活性，見圖23所示。我國(guó)南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出一種“新型無(wú)毒脫硝催化劑”，具有無(wú)毒、抗沖擊、耐高堿和抗粉塵沖刷等特性，有效工作溫度在120～200 ℃范圍之內(nèi)，為在水泥窯尾除塵器后采用SCR脫硝技術(shù)創(chuàng)造了更有利的條件。這種新開發(fā)的低溫催化劑，現(xiàn)在江蘇溧陽(yáng)水泥公司5 000 t/d熟料水泥生產(chǎn)線窯尾收塵器后進(jìn)行脫硝試用，一旦成功，不僅為我國(guó)水泥工業(yè)應(yīng)用SCR脫硝技術(shù)開辟了一條新的途徑，而且為SCR法脫硝技術(shù)在水泥工業(yè)的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)，可以適應(yīng)更低煙氣溫度條件下更高效煙氣脫硝，使水泥窯爐排放煙氣中的NOx濃度達(dá)到100～200 mg/Nm3成為可能。

圖23　低溫SCR脫硝催化劑脫硝效率η與溫度t的關(guān)系

（2）按流道孔口形狀分類。催化劑的流道孔口形狀就是橫截面的外觀形貌，實(shí)際上就是催化劑的載體結(jié)構(gòu)或稱催化劑“骨架”，有人稱為“外形”。為了制造、運(yùn)輸和安裝方便，催化劑都制成一塊一塊的，稱為“催化劑單元”。催化劑單元端面孔口主要有蜂窩式、平板式和波紋板式三種，其中蜂窩式的催化劑應(yīng)用最多，幾乎占了全球一半以上的市場(chǎng)份額。催化劑是根據(jù)催化劑載體開口結(jié)構(gòu)的形貌或者形狀來(lái)命名的，如催化劑載體為蜂窩狀的，就將這種催化劑稱為“蜂窩式催化劑”；催化劑單元載體開口形狀為窄矩形的，就將這種催化劑稱為“平板式催化劑”；催化劑單元流道斷面形狀為波紋形的，就將這種催化劑稱為“波紋板式催化劑”。

蜂窩式催化劑一般以高通透性的陶瓷作為基材，以TiO2作為載體采取整體擠壓成型，如圖24所示。這種催化劑雖然抗飛灰磨損和抗堵塞能力較好，但是由于單位體積的有效面積或者說(shuō)比表面積大，所需的體積量較小或者說(shuō)用量少，因此在同樣脫硝效率的情況下可以減小催化塔的尺寸，能夠降低建設(shè)費(fèi)用，因而在三種催化劑中應(yīng)用最多。

圖24　蜂窩式催化劑單元照片

最近奧地利發(fā)明了一種蓄熱體催化劑，可以利用陶瓷作為蓄熱體來(lái)儲(chǔ)存一部分煙氣中的熱量，利用這部分熱量來(lái)加熱廢氣以達(dá)到SCR反應(yīng)所需要的最佳溫度窗。應(yīng)用于RTO-SCR裝置可以同時(shí)除去煙氣中的一氧化碳、有機(jī)物和氮氧化物NOx。這種催化劑也制成蜂窩式的結(jié)構(gòu)，如圖25所示。

圖25　CERAM公司蜂窩式蓄熱體催化劑

平板式催化劑以不銹鋼板網(wǎng)作為基材骨架，采取雙側(cè)擠壓的方式將活性材料與金屬板結(jié)合在一起成型，如圖26所示。從外觀看與通常的蜂窩式催化劑沒有區(qū)別，只是載體的材料不同而已。這種催化劑開孔率較高，一般可達(dá)80%～90%，所以阻力小、防堵灰能力也較強(qiáng)，適合使用在灰塵較高的環(huán)境。另外，抗腐蝕性能好，不易被粉塵堵塞或污染。但是比表面積小，約在280～350 m2/m3，要達(dá)到相同的脫硝效率就需增大體積，因此使催化塔增大。

圖26　平板式催化劑形貌

波紋板式催化劑也稱“波紋式催化劑”，以成形的玻璃纖維或陶瓷纖維加固的二氧化鈦?zhàn)鳛檩d體（或稱“骨架基板”），非常堅(jiān)硬，放入催化劑活性液中浸泡而制成，形狀呈波紋形貌，故稱“波紋板式催化劑”，見圖27。這種催化劑的孔徑相對(duì)較小，單位體積的比表面積最高。由于壁厚相對(duì)較小，所以單位體積的重量小于前兩種催化劑，更方便于運(yùn)輸和安裝時(shí)的吊裝。在保持脫硝效率相同的情況下，這種催化劑所需的體積最小，比重也小，因此催化塔的體積和其支承負(fù)荷也相對(duì)減小，造價(jià)低。由于孔徑小，一般適用于粉塵較低的煙氣環(huán)境。但因?yàn)榭紫洞笮『头植级鄻?，能夠較好地抵抗催化劑中毒等特點(diǎn)，所以也有應(yīng)用。

圖27　波紋板式催化劑

以上三種催化劑的形貌不同，制成工藝不一，性能也有差別，但就其化學(xué)特性而言是基本接近的。但形狀不同，物理特性存在較大差異。為了加強(qiáng)不同類型催化劑的互換性及裝卸吊裝的靈活性，一般均將催化劑組裝成標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，即每個(gè)模塊截面為1.9 m×0.96 m。為清晰比較，現(xiàn)將以上三種催化劑的主要特性歸納在表5中。

表5　三種催化劑的比較

（3）按催化劑單元橫截面形狀分類。按催化劑單元橫截面形狀現(xiàn)有正方形的，有正六邊形的，還有汽車所用的圓形催化劑，如圖28所示。其中以正方形催化劑使用最多。如果催化劑單元橫截面為正方形，其內(nèi)的載體孔道形狀也是正方形，因孔道密布，形如蜂巢，所以就稱為“方形蜂窩式催化劑”。如果其內(nèi)的孔道形狀為窄矩形結(jié)構(gòu)，就稱其為“方形平板式催化劑”，其余依次類推。

圖28　蜂窩式催化劑單元的橫截面形狀

（未完待續(xù)）

TQ172.622.4

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1008-0473(2016)03-0007-04DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.03.002