SCR蜂窩式脫硝催化劑抗磨損性能研究

何文深,陳建軍,鄭佐東

(1.國(guó)電環(huán)保設(shè)備有限公司,江蘇南京 210044;2.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司,北京 100039 3.大唐景泰發(fā)電廠,甘肅白銀 730408)

SCR蜂窩式脫硝催化劑抗磨損性能研究

何文深1,陳建軍2,鄭佐東3

(1.國(guó)電環(huán)保設(shè)備有限公司,江蘇南京 210044;2.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司,北京 100039 3.大唐景泰發(fā)電廠,甘肅白銀 730408)

利用自制抗磨損性能模擬試驗(yàn)裝置對(duì) SCR蜂窩式催化劑進(jìn)行了抗磨損性能的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明,催化劑的磨損強(qiáng)度主要受空速和磨損劑濃度的影響,尤其以空速影響較大。隨著催化劑孔數(shù)的增加,催化劑磨損強(qiáng)度和抗磨損性能提高。

SCR;蜂窩式催化劑;磨損性能;煙塵條件;端部硬化

0 引言

電站鍋爐系統(tǒng)排放的NOx是致使酸雨形成的主要大氣污染物之一,典型電站排放的NOx由約 95%的NO和約5%的NO2組成。采用低NOx燃燒器、煙氣再循環(huán)、分級(jí)燃燒或水蒸汽注入[1]等技術(shù)可以降低NOx排放濃度,但是這些技術(shù)成本高,脫硝效率低,而且會(huì)對(duì)鍋爐產(chǎn)生負(fù)面影響,難以大規(guī)模推廣使用[2]。隨著我國(guó)火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 13223-2003)的正式頒行,我國(guó)對(duì)電站 NOx的排放做出了更為嚴(yán)格的規(guī)定。因此,脫銷效率高、價(jià)格相對(duì)低廉,對(duì)鍋爐適應(yīng)性好的 SCR(Selective Catalytic Reduction)技術(shù)在我國(guó)開始得到應(yīng)用并呈上升趨勢(shì)。催化劑是 SCR系統(tǒng)中最重要的組成部分,目前市場(chǎng)上 SCR催化劑主要有蜂窩式、板式、波紋板式三種,其中蜂窩式催化劑的市場(chǎng)占有率最高,約60%～70%[3]。蜂窩式催化劑的性能直接影響 SCR系統(tǒng)脫銷效率,其采購(gòu)、更換與維護(hù)成本更是 SCR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的主要部分。影響蜂窩式催化劑活性的因素很多,煙塵顆粒對(duì)催化劑的磨損是其失活的主要原因之一。由于我國(guó)煤種的特性及成本的原因,電廠往往會(huì)燃用高鈣煤、劣質(zhì)煤,燃用這些煤種產(chǎn)生的煙塵顆粒大,硬度高,成分復(fù)雜,更加劇了催化劑的磨損,嚴(yán)重時(shí)會(huì)縮短催化劑更換周期,增加維護(hù)費(fèi)用。因此,對(duì)蜂窩式催化劑抗磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,具有一定的理論和實(shí)踐意義。本文對(duì)蜂窩式 SCR催化劑的磨損性能進(jìn)行了研究,系統(tǒng)討論了磨損劑濃度、空速 (以催化劑容積體積計(jì)算)、接觸時(shí)間以及蜂窩式催化劑孔數(shù)等因素對(duì)催化劑磨損性能的影響,為燃煤電廠根據(jù)不同的煙氣條件選擇合適的催化劑提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置及材料

抗磨損性能模擬試驗(yàn)裝置為江蘇龍?jiān)创呋瘎┯邢薰咀灾?SCR蜂窩式催化劑采用江蘇龍?jiān)创呋瘎┯邢薰旧a(chǎn)的三種型號(hào)催化劑;磨損劑為江蘇宜興產(chǎn)精制石英礦砂;端部硬化浸漬液為江蘇龍?jiān)创呋瘎┯邢薰狙兄?全自動(dòng)電子天平生產(chǎn)商為梅特勒托利多(上海)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

取催化劑的一部分作為樣品,在 105℃烘箱中烘干 1 h,并放置在干燥皿中冷卻 24 h,將含有磨損劑的空氣以一定的流速通過(guò)樣品,經(jīng)過(guò)特定時(shí)間后通過(guò)測(cè)量試驗(yàn)試塊和參比試塊的重量損失與收集到的磨損劑重量確定試塊的磨損強(qiáng)度和凈失重率。

式中:W1為試驗(yàn)試塊測(cè)試前重量,g;W2為試驗(yàn)試塊測(cè)試后重量,g;W3為參比試塊測(cè)試前重量,g;W4為參比試塊測(cè)試后重量,g;W5為收集硅砂重量,kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 SCR蜂窩式催化劑磨損機(jī)理

對(duì)磨損后蜂窩式催化劑進(jìn)行對(duì)照分析,可以觀察到催化劑端部被磨損的情況。參比催化劑試塊由于沒(méi)有暴露在磨損劑中,因而沒(méi)有明顯的磨損現(xiàn)象。試驗(yàn)試塊端部被磨損后,端面總體呈弧形并向內(nèi)凹進(jìn),而且每一個(gè)通孔的內(nèi)壁也是成弧形。這可能是因?yàn)?管道內(nèi)和通孔內(nèi)的風(fēng)速分布遵循流體動(dòng)力學(xué),由于滯流邊界層的存在,靠近管道壁面和催化劑內(nèi)壁面的風(fēng)速較小,因而裹挾其中的磨損劑動(dòng)能較小,從而對(duì)靠近管道壁面部分的催化劑磨損相對(duì)小。而處于管道和通孔中部的風(fēng)雷諾系數(shù)大,風(fēng)速高,其中的磨損劑動(dòng)能較高,從而對(duì)催化劑中部的磨損加劇,使得磨損后的催化劑斷面呈弧形。另外,磨損后的催化劑內(nèi)壁變得更加光滑,且厚度減小,造成這種現(xiàn)象的原因可能是“馬格努斯效應(yīng)”(見圖 1、2)。

從圖 1、2可以看出,煙塵顆粒被煙氣裹挾向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí),自身也發(fā)生旋轉(zhuǎn),由于滯流邊界層的存在,靠近催化劑壁面的風(fēng)速較小,而通孔中部的風(fēng)速較大,這樣就使得顆粒的旋轉(zhuǎn)角度矢量和自身的飛行速度矢量不重合,根據(jù)伯努力原理,速度差異會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)差異,這樣在和顆粒飛行方向相垂直的方向上產(chǎn)生了一個(gè)橫向力,在這個(gè)橫向力的作用下,顆粒偏離原來(lái)的飛行軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn),直接撞擊在催化劑壁面上,從而導(dǎo)致磨損。

圖1 馬格努斯效應(yīng)示意

圖2 煙塵顆粒對(duì)催化劑壁面磨損示意

2.2 磨損劑濃度對(duì)催化劑磨損強(qiáng)度的影響

磨損劑濃度與催化劑磨損強(qiáng)度的關(guān)系見圖 3a。從圖 3a可以看出,隨著磨損劑用量的增加,在同樣的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi),磨損失重率逐漸增加,磨損強(qiáng)度先增加后減小。磨損強(qiáng)度的定義為每消耗 1 kg硅砂時(shí)催化劑的磨損失重率,當(dāng)硅砂的重量 (飛灰濃度)超過(guò)一定范圍之后(在本試驗(yàn)中為 32 g/m3),磨損強(qiáng)度反而有所下降。

2.3 空速對(duì)催化劑磨損強(qiáng)度的影響

空速與催化劑磨損強(qiáng)度的關(guān)系見圖 3b。從圖3b可以看出,空速對(duì)催化劑磨損強(qiáng)度有較大影響。在同樣的試驗(yàn)時(shí)間和飛灰濃度下,隨著空速的增加,磨損強(qiáng)度和磨損失重率快速增加,抗磨損性能降低。由催化劑磨損機(jī)理可知,靠近管道壁面和催化劑內(nèi)壁面的風(fēng)速較小,因而裹挾其中的磨損劑動(dòng)能較小,從而對(duì)靠近管道壁面部分的催化劑磨損相對(duì)小。而處于管道和通孔中部的風(fēng)速高,其中的磨損劑動(dòng)能較高,從而對(duì)催化劑中部的磨損加劇,使得磨損后的催化劑斷面呈弧形。因此,對(duì)于相同的飛灰濃度,風(fēng)速越高,磨損劑動(dòng)能越大,磨損強(qiáng)度和磨損失重率快速增加。在 SCR脫硝工程中,如果催化劑實(shí)際運(yùn)行條件偏離設(shè)計(jì)要求,如煙氣量增加將會(huì)導(dǎo)致催化劑的磨損加劇,抗磨損性能下降,必然影響催化劑的壽命,增加 SCR系統(tǒng)運(yùn)行成本。

2.4 磨損時(shí)間對(duì)催化劑磨損強(qiáng)度的影響

磨損時(shí)間與催化劑磨損強(qiáng)度的關(guān)系見圖 3c。從圖 3c可以看出,催化劑凈失重率隨著磨損時(shí)間的增加而升高,兩者呈現(xiàn)近乎線性關(guān)系,但催化劑磨損強(qiáng)度的曲線在系統(tǒng)運(yùn)行 3 h后趨于平穩(wěn),即當(dāng)試驗(yàn)趨于穩(wěn)定后,磨損強(qiáng)度基本上與磨損時(shí)間無(wú)關(guān)。

圖3 催化劑濃度、空速、磨損時(shí)間與磨損強(qiáng)度的關(guān)系

2.5 不同催化劑端部硬化后抗磨損性能差異

催化劑端部硬化作用原理如圖 4所示,催化劑表面浸漬了一層硬化液后,在高于常溫的煙氣中,硬化液受熱后化學(xué)組成發(fā)生改變,生成一種硬度遠(yuǎn)高于煙塵顆粒的化學(xué)物質(zhì),當(dāng)煙塵顆粒撞擊在硬化層上,硬化層可以保護(hù)催化劑不被磨損。

圖4 催化劑硬化層作用原理

催化劑經(jīng)過(guò)端部硬化處理后,參比試塊和試驗(yàn)試塊經(jīng)過(guò)磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),其端部和壁面均沒(méi)有發(fā)生明顯的磨損現(xiàn)象,未硬化處理的試驗(yàn)試塊端部被磨損后總體呈弧形并向內(nèi)凹進(jìn),說(shuō)明端部硬化處理可以明顯改善蜂窩式催化劑的抗磨損性能。同時(shí)為了考察催化劑在浸漬了端部硬化液后對(duì)脫硝效率的影響,在同一根催化劑上另外選取兩塊活性試驗(yàn)試塊,其中一塊進(jìn)行硬化處理,另一塊未進(jìn)行硬化處理,分別測(cè)試兩者的脫硝效率,結(jié)果如表 1所示。兩者的脫硝效率保持不變,說(shuō)明催化劑浸漬端部硬化液后不會(huì)對(duì)催化劑的活性造成不利影響。

表 1 硬化前后催化劑脫硝效率對(duì)比

試驗(yàn)中選取抗壓強(qiáng)度近似的三種型號(hào)催化劑。隨著孔數(shù)的增加,催化劑磨損減重、壁厚被磨耗減薄程度均逐漸降低,抗磨損性能不斷提高。端部經(jīng)過(guò)硬化處理的催化劑,其抗磨損性能相對(duì)于未經(jīng)硬化處理的明顯提高,總體趨勢(shì)仍然是隨著孔數(shù)的增加,抗磨損性能相對(duì)提高。經(jīng)過(guò)硬化處理的催化劑,其壁厚被磨耗減薄的程度急劇減小,相對(duì)于未經(jīng)硬化處理的催化劑,三種規(guī)格催化劑壁厚被磨耗減薄的程度趨于一致。這說(shuō)明,催化劑端部硬化處理可以極大的改善催化劑的抗磨損性能,從而提高催化劑的使用壽命,減少更換和維護(hù)成本。

3 結(jié)語(yǔ)

利用自制的 SCR蜂窩式催化劑抗磨損性能模擬試驗(yàn)裝置,對(duì)催化劑進(jìn)行了抗磨損性能試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,催化劑的磨損強(qiáng)度主要受空速和磨損劑濃度的影響,其中尤其以空速影響最大。同時(shí)還表明,隨著催化劑孔數(shù)增加,催化劑的磨損強(qiáng)度和抗磨損性能同步提高。以上結(jié)果說(shuō)明,電廠的實(shí)際運(yùn)行條件會(huì)較大的影響催化劑的抗磨損性能和使用壽命,在進(jìn)行催化劑選型設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該根據(jù)電廠實(shí)際條件合理選擇催化劑。

[1]Guido B,Luca L,Giangguido R,et al.Chemical and mechanistic aspects of the selective catalytic reduction ofNOxby ammonia overoxide catalysts:A review[J].Applied Catalysis B:Environmental,1998, (18):1-36.

[2]張強(qiáng),許世森,王志強(qiáng).選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)進(jìn)展及工程應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2004,(4):1-6.

[3]Pio F.Present status and perspectives in de-NOxSCR catalysis[J]. Applied CatalysisA:General,2001,(222):221-236.

Study of abrasion perfor mance of SCR honeycomb catalysts

The abrasion perfor m ance of SCR honeycom b catalysts were tested on a self-designed device.The exper imental results showed that the abrasion of SCR honeycom b catalysts were mo stly depend on the gas velocity and concentration of abras ion agent,especially on the gas velocity.The abrasion performances were improved w ith the increase of the cell numbers of catalysts.〗

SCR;honeycomb catalysts;abrasion perfor m ance;dust condition;front harden〗

X701.7

B

1674-8069(2011)05-010-03

2011-05-09;

2011-09-06

何文深(1974-),男,湖南汩羅人,工程師,主要從事火電廠脫硫、脫硝技術(shù)研究工作。E-mail:hws2361@163.com