玻璃熔窯煙氣SCR 脫硝蜂窩狀催化劑的選型計算

雷本喜，尹海濱，藺海艷

（江蘇科行環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

截至2014 年12 月，國內浮法玻璃熔窯約一半啟動了SCR 脫硝工程， 不少生產線脫硝工程已經投運。在新標準的嚴格要求下，2015 年剩余生產線也勢必開啟脫硝工程。

SCR 催化劑是脫硝工程的關鍵與核心， 它決定著整個脫硝系統的成敗，關乎玻璃企業(yè)的效益乃至生存。蜂窩狀中溫（300～380 ℃）SCR 催化劑已在玻璃熔窯脫硝系統中廣泛使用。本文結合玻璃熔窯煙氣特性，參照脫硝催化劑選型的計算理論，對蜂窩狀催化劑的選型進行了深入研究，希望所得結論對相關工作人員有所幫助。

1 催化劑體積計算

1.1 推導公式

參考火電煙氣SCR 脫硝工程技術， 催化劑體積計算公式如下：

式中：V0為催化劑的推算體積；Q 為標準狀態(tài)下的濕煙氣量；η 為催化劑的脫硝效率；m 為理論氨氮摩爾比；k0為初始活性系數；β 為催化劑的幾何比表面積。

1.2 參數的選取

Q 隨玻璃生產線的產能增大而增大。在其他值不變的前提下，V0和Q 成正比關系，但式（1）中η、m、k0和β 的取值是隨玻璃熔窯煙塵特性而改變的，所以V0和Q 不是簡單的正比例關系。

η 可根據脫硝工程業(yè)主提供技術指標計算得來，業(yè)主所要求的脫硝效率越高，催化劑所需的體積數越大， 參照前面煙氣參數及國家環(huán)保標準，脫硝效率取值一般在81%～93%之間。

m 的取值計算參考“華能導則”或“顧問導則”，計算公式如下：

式中：η 為脫硝效率；γa 為氨逃逸；CNO和CNO2分別煙氣中NO 和NO2的濃度， 以NO 占NOx 的95%，NO2占NOx 的5%計算。玻璃環(huán)保標準要求的γa 為0.003‰，以此計算m=（η+0.01）～（η+0.03）。

k0代表的是催化劑的初始脫硝能力，玻璃熔窯脫硝催化劑的k0值一般為35～45。 理論上，k0值越大，所代表催化劑的脫硝能力越強，反之也成立。催化劑選型時，選取的k0值一般比理論值略微偏大，常規(guī)浮法玻璃熔窯脫硝工程k0取38。 調整k0的取值，可以合理控制催化劑體積的裕度。

β 值的大小受催化劑幾何結構影響，理論上講，催化劑β 越大，單位體積催化劑內煙氣與催化劑表面接觸的面積越大，越有利于催化反應的進行，進而提高催化效率。 但是，β 值越大，孔徑越小，催化劑越容易堵塞。 目前玻璃熔窯SCR 脫硝一般放在除塵之后，粉塵濃度相對較小，催化劑孔數的選擇一般為21～25 孔，根據目前使用情況，孔數選為22較為合理，此時對應的β 值為512 m2/m3。 β 值選取見表1。

表1 催化劑參數

2 催化劑運行參數評估

2.1 體積空速

體積空速描述的是煙氣體積流量與SCR 反應器中催化劑體積的比值，反映了煙氣在SCR 反應器內停留時間的長短。 根據定義其計算公式為：

實際上，Sv 的倒數所表達的是接觸時間概念，是催化劑的重要性能參數，也是催化劑反應器的主要設計參數。 根據式（1）計算得V0，帶入式（4）可得Q值，Q 值如在3 000～3 500(1/h)范圍內，說明V0選取合理。

2.2 孔內風速

孔內風速代表氣體流過催化劑孔道內的速度，它是決定反應器橫截面面積和氣體在反應區(qū)停留時間的重要參數。 其計算公式為：

式中：A 為反應器橫截面積；n 為催化劑的孔隙率?？紤]到玻璃熔窯煙氣中粉塵粒度較細， 煙質較低，孔內流速一般要求偏高，取值一般在5.8～7.3 m/s 之間，孔內風速過低，容易造成堵塞，過大則磨損嚴重。 催化劑體積確定后，可通過孔內風速指標來驗證催化劑選型是否合理。

2.3 面積速度

SCR 系統的面積速度描述的是煙氣掠過催化劑表面的速度，其定義是單位時間內煙氣體積與催化劑的幾何表面積之比，是反映催化反應特征的一個參數。 其計算公式為：

煙氣量一定時，面積速度Av越小，說明催化劑的幾何表面積越大，對應的催化劑微孔數目增多，有利于反應器內催化反應的進行。它的取值為6～7 m/h，可通過控制面積速度微調所選取的催化劑體積。

3 工程應用實例分析

3.1 工況參數

以某新建600 t/d 浮法玻璃生產線煙氣SCR脫硝工程為例， 表2 是該生產線的主要工況參數，由表1 中數據可計算η=91.18，帶入公式（2）可計算出m=0.913 6。

表2 主要工況參數

3.2 催化劑體積計算

根據煙氣特點，參考表1 選取催化劑的節(jié)距為6.75 mm，孔數為22×22 個，再參照市場上生產的標準催化劑參數（表3），可計算出β=511.96 m2/m3。參考1.2 中k0的選取，取k0=38，將η、m、β、k0帶入公式（1）計算得：

V0=120 000×ln (1/(1-91.18/100×0.913 6))/(38×511.96)=36.82 m

3.3 參數校準與修正

表3 標準催化劑參數

表4 反應器設計參數

表5 催化劑運行參數

綜合考慮催化劑的運行參數，采取合理的反應器內部布置形式（表4），最終的修正參數見表5，修正后k=37.55，V=37.26， 修正后的參數為選型的最終參數。

3.4 工程應用情況

該工程已于2014 年9 月開始投運， 并已通過國家環(huán)保部門的驗收，項目運行正常，脫硝效率高達95%。

4 結語

催化劑的精確選型是一個十分復雜的過程，不同的工況參數， 催化劑的選型可能會有很大差別。本文的計算針對玻璃熔窯具有一定的符合性，對其他行業(yè)來說，僅具備參考價值。 由于玻璃熔窯脫硝催化劑的最早使用時間不足3 年，催化劑的衰減率很難統計和預算，本文的催化劑體積計算未考慮催化劑活性的衰減， 在收集后期催化劑衰減參數后，將總結衰減計算經驗公式。