彭以以,孫振動(dòng),梅博倫,于 毅*,徐 麗,劉國(guó)際

(1.河南康寧特環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?河南 新密 452370;2.鄭州大學(xué) 化工學(xué)院,河南 鄭州 450001)

火電廠煤燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物(NOx),氮氧化物不僅危害人體健康,也是導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧和霧霾的主要前驅(qū)體物。為了降低氮氧化物對(duì)環(huán)境的影響,燃煤電廠多采用以NH3選擇性催化還原(SCR)技術(shù)為主的氮氧化物控制技術(shù)[1]。

NH3-SCR的工作溫度窗口可分為低溫、中溫和高溫,低溫操作窗口對(duì)應(yīng)為80～300 ℃[2]。目前,商用的WO3(MoO3)改性V2O5/TiO2SCR催化劑在300～400 ℃具有良好的SO2耐受性和較高的催化性能,但當(dāng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(煙氣溫度<300 ℃),催化劑活性下降,脫硝效率下降,氨逃逸率上升,生成的硫酸氫銨造成空預(yù)器堵塞,影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3-4]。

為了避免低負(fù)荷下脫硝系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的不利影響,發(fā)電企業(yè)多采取脫硝系統(tǒng)低負(fù)荷停止運(yùn)行的策略。針對(duì)發(fā)電企業(yè)在低負(fù)荷退出運(yùn)行脫硝系統(tǒng)的問題,使煙溫滿足SCR全負(fù)荷脫硝的常規(guī)措施主要是對(duì)鍋爐汽輪機(jī)進(jìn)行改造,包括省煤器水側(cè)旁路改造,省煤器煙氣側(cè)旁路改造,省煤器分級(jí)改造,汽輪機(jī)高壓缸抽汽回?zé)岬燃夹g(shù)[5-8]。上述措施費(fèi)用較高,工期長(zhǎng),對(duì)機(jī)組的熱效率和穩(wěn)定運(yùn)行有一定的影響。

本研究致力于新型寬溫NH3-SCR脫硝催化劑及其大批量制備工藝的開發(fā),并進(jìn)行低負(fù)荷煙溫下的適用性研究,對(duì)于解決燃煤電廠全負(fù)荷脫硝具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 催化劑制備

稱取五氧化二釩、三氧化鎢、七鉬酸氨、氧化鈰、硝酸鐵與載體TiO2,并加入纖維素為黏合劑,進(jìn)行5 h的混煉過程,混煉后進(jìn)行一次陳化,而后經(jīng)擠出成型、一段干燥、二段干燥、煅燒、切割硬化處理、組裝6個(gè)工藝流程得到成品催化劑,所制備SCR脫硝催化劑命名為：V-W-Mo-Ce-Fe/TiO2。

1.2 催化劑表征

測(cè)定幾何特性單元體的幾何尺寸、幾何比表面積以及開孔率,采用康塔2000e型全自動(dòng)氣體吸附裝置進(jìn)行催化劑的比表面積、孔徑和孔容的測(cè)試。

1.3 催化活性測(cè)試

采用固定床反應(yīng)器進(jìn)行活性測(cè)試,催化劑采用4層串聯(lián)方式裝填。

測(cè)試裝置流程圖見圖1。

圖1 測(cè)試裝置流程圖

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)由氣體制備、配氣混合、氣體加熱、反應(yīng)器及切換閥組、控制和檢測(cè)、尾氣處理等單元組件組成,能夠完整、準(zhǔn)確地模擬催化劑在真實(shí)SCR脫硝設(shè)備中的煙氣條件,即：空速、溫度、NO、SO2、SO2、NH3、濕度、氧量等。

反應(yīng)煙氣組成見表1。

表1 反應(yīng)煙氣參數(shù)

注：Ugs,空塔速度,煙氣流量與催化劑截面積之比;AV,面速度,煙氣流量與催化劑總幾何表面積(體積×比表面積)之比;LV,催化劑孔道內(nèi)的煙氣流速。

分別在脫硝煙溫為373 ℃(工況1)、250 ℃(工況2)和225 ℃(工況3)條件下進(jìn)行SCR活性測(cè)試,當(dāng)煙氣條件發(fā)生變化時(shí),至少穩(wěn)定1 h后進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。采用美國(guó)Thermo-42i型號(hào)煙氣分析儀測(cè)定進(jìn)出口NO濃度,煙氣進(jìn)入分析儀之前,經(jīng)煙塵過濾和除濕處理,每次開始測(cè)定時(shí),系統(tǒng)至少穩(wěn)定30 min,以保證系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。NO轉(zhuǎn)化率計(jì)算如下。

(1)

式中：X為NO轉(zhuǎn)化率,c(NOin)和c(NOout)分別為反應(yīng)管入口及出口NO的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑表征

2.1.1幾何特性

催化劑單元體的幾何尺寸、幾何比表面積以及開孔率等幾何特性如表2所示。

表2 幾何特性

2.1.2理化特性

催化劑微觀比表面積檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 微觀比表面積檢測(cè)結(jié)果

對(duì)新催化劑樣品進(jìn)行徑向和軸向抗壓強(qiáng)度檢測(cè),檢測(cè)進(jìn)行3次并取均值,結(jié)果見表4。

表4 抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

由表4可知,成型催化劑徑向抗壓強(qiáng)度為0.68 MPa,軸向抗壓強(qiáng)度達(dá)2.70 MPa,所制備催化劑具有良好的抗磨損性。

2.2 活性測(cè)試

2.2.1脫硝效率和氨逃逸

在設(shè)計(jì)條件下,經(jīng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行活性測(cè)試,四層裝填催化劑脫硝效率和氨逃逸檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 脫硝效率與氨逃逸檢測(cè)結(jié)果

由表5可知,所制備的V-W-Mo-Ce-Fe/TiO2脫硝催化劑在較寬溫度區(qū)間(225～373 ℃)內(nèi)均表現(xiàn)出較優(yōu)秀的脫硝效率(92.8%)以及較低的氨逃逸率。

2.2.2SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

在設(shè)計(jì)脫硝煙溫250 ℃條件(工況2)下,一層新催化劑的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率檢測(cè)及計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 SO2/SO3轉(zhuǎn)化率

由表6可知,在設(shè)計(jì)煙溫250 ℃條件下,一層新催化劑的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率僅為0.36%。

3 結(jié)論

通過機(jī)制研究,配方、生產(chǎn)工藝和材料開發(fā),工業(yè)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用,開發(fā)了適用于煤電和工業(yè)領(lǐng)域復(fù)雜煙氣成分的新型寬溫運(yùn)行窗口V-W-Mo-Ce-Fe/TiO2脫硝催化劑,在低溫?zé)煔獯呋撓鯐r(shí)仍然表現(xiàn)出高活性(NO轉(zhuǎn)化率92.8%)、低SO2氧化率(1%),且具有抗磨損中毒能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。