蜂窩式SCR脫硝催化劑生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)分析

王 偉，郭休鏈，韓 航，周 康，陳 輝

(湖北省輕工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計院，湖北 武漢 430052)

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生產(chǎn)技術(shù)

蜂窩式SCR脫硝催化劑生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)分析

王 偉，郭休鏈，韓 航，周 康，陳 輝

(湖北省輕工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計院，湖北 武漢 430052)

選擇性催化還原(SCR)脫硝催化劑具有比表面積大、脫硝效率高、氨逃逸率低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于燃煤鍋爐廢氣中脫除氮氧化物的工藝。根據(jù)多年生產(chǎn)技術(shù)實(shí)踐，介紹蜂窩式脫硝催化劑生產(chǎn)原料和其作用，并對生產(chǎn)過程中的各關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行深入分析，以期在理論和實(shí)踐結(jié)合基礎(chǔ)上探索催化劑生產(chǎn)過程出現(xiàn)問題的解決方法，保證脫硝催化劑生產(chǎn)中的質(zhì)量和性能。

蜂窩式；SCR；脫硝催化劑；關(guān)鍵技術(shù)

氮氧化物是造成大氣污染的主要污染物之一，SCR脫硝技術(shù)因具有脫硝效率高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在國內(nèi)外火電鍋爐、玻璃窯爐、水泥窯等脫硝工藝上得到廣泛的應(yīng)用。SCR催化劑是脫硝系統(tǒng)的核心，其質(zhì)量和性能關(guān)系到脫硝效率和使用壽命[1-2]。近幾年，脫硝催化劑市場處于低價競爭格局，迫使生產(chǎn)廠家控制壁厚或用劣質(zhì)原料來降低成本，而這將嚴(yán)重影響催化劑質(zhì)量和性能；此外，脫硝催化劑生產(chǎn)工藝控制是影響催化劑質(zhì)量的主要因素[3]。本文據(jù)多年生產(chǎn)技術(shù)實(shí)踐，對生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，以期探索催化劑生產(chǎn)過程問題的解決方法。

1 催化劑原料及作用

主原料有鈦白粉、三氧化鎢、氧化鉬、蒙脫石粘土、偏釩酸銨。二氧化鈦為催化劑載體，大的比表面積可提高活性成分和助催化成分的分散度；三氧化鎢為助催化劑，可提高載體的熱穩(wěn)定性，抑制銳鈦型向金紅石型轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)催化劑的酸性，減少SO2向SO3轉(zhuǎn)化；氧化鉬為助催化劑，使氣態(tài)砷優(yōu)先吸附氧化鉬，防止活性位中毒；蒙脫土為無機(jī)膠粘劑，提高催化劑的抗壓、磨損強(qiáng)度；偏釩酸銨為活性成分V2O5的前驅(qū)體，焙燒時分解成V2O5分布在整個催化劑中。

輔料主要有催化劑回收料、硬脂酸、單乙醇胺、玻璃纖維、乳酸、羧甲基纖維素(CMC)、聚氧化乙烯(PEO)、木漿、氨水、去離子水?；厥樟鲜谴呋瘎U料粉碎并磨細(xì)后作為原料，避免固廢處理的同時節(jié)省成本；硬脂酸為固體潤滑劑，減少內(nèi)摩擦，便于形成塑性泥料和擠出成型；單乙醇胺為溶劑，溶解活性成分偏釩酸銨，還起到助擠、調(diào)節(jié)泥料酸堿性的作用；玻纖為結(jié)構(gòu)助劑，增加催化劑機(jī)械強(qiáng)度，防止開裂和變形；乳酸為吸附劑，利于還原物質(zhì)在活性位上的吸附，增強(qiáng)催化活性；CMC在混煉中形成高粘度的膠體，起著膠粘、可塑、保水等作用，提高胚體的強(qiáng)度；PEO在催化劑中起著粘合、保水、增塑等作用；木漿為造孔劑，焙燒后形成微孔，增大比表面積；氨水調(diào)節(jié)泥料的酸堿性，泥料處于堿性狀態(tài)具有較高的可塑性，利于擠出和成型；去離子水在粉體表面包覆一層很薄的“水膜”，加強(qiáng)粉體間潤滑，依靠水的內(nèi)聚力將相鄰泥料顆?！氨Ьo成團(tuán)”，改善泥料的結(jié)合力和塑性。

2 催化劑生產(chǎn)工藝

催化劑生產(chǎn)工藝流程如下：

活性液配制→混煉→陳腐→過濾預(yù)擠→一級干燥→

二級干燥→焙燒→定尺切割→端面硬化→模塊組裝→模塊裝卸

3 生產(chǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 活性液配制

活性液濃度決定催化劑活性成分的含量。將去離子水和單乙醇胺混合液加熱至75 ℃后，加入偏釩酸銨，攪拌并加熱至90 ℃左右，降溫至55 ℃，保溫待用。

3.2 混煉

混煉過程分6個階段，各段加入原料，通過混煉機(jī)分散均勻，并將攪拌槳葉做功的能量分層切片輸入到物料中，物料充分接觸和分散后獲得一定的塑性和pH值；混煉直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和合格率。各混煉階段泥料指標(biāo)要求如表1所示。

表1 混煉階段泥料指標(biāo)要求

第一階段將部分鈦白粉、三氧化鎢、氧化鉬和蒙脫石粘土加入混煉機(jī)，正向低速攪拌下加入硬脂酸、乳酸、水、氨水，正向高速攪拌并使泥料達(dá)到表1要求，pH偏低可用氨水調(diào)節(jié)。第二階段將剩余鈦鎢粉和回收料加入混煉機(jī)，正向低速攪拌下加入水和氨水，正向高速攪拌下升溫至90 ℃以上，然后開排氣閥抽濕至泥料達(dá)到表1要求。

第三階段將活性液、木漿、玻纖和水加入混煉機(jī)，正向高速攪拌至泥料達(dá)到表1要求。第四階段將部分CMC、PEO和水加入混煉機(jī)，反向高速攪拌至泥料達(dá)到表1要求。

第五階段將剩余CMC和PEO加入混煉機(jī)，反向高速攪拌至泥料達(dá)到表1要求。第六階段據(jù)第五階段泥料情況，加入水和氨水，反向高速攪拌下調(diào)節(jié)泥料至指標(biāo)要求；若第五階段達(dá)到指標(biāo)要求，則直接將泥料卸至陳腐箱中并密封。

3.3 陳腐

陳腐是將混煉后泥料密封后置于溫度為20～30 ℃、濕度≥80%的陳腐室一段時間，以消除泥料應(yīng)力，使泥料水分等更加均勻，進(jìn)一步提高泥料性能。

3.4 過濾預(yù)擠

過濾預(yù)擠是除去混煉中泥料塊和雜質(zhì)，以防成型時堵塞模具，并使泥料中物質(zhì)分散均勻；過濾時溫度不能高于50 ℃，以防蒸發(fā)太快影響泥料含水率；過濾網(wǎng)孔大小為1 mm×3 mm，注意過濾網(wǎng)要及時更換，過濾后將泥料密封并再次陳腐。

3.5 擠出成型

擠出成型是將泥料通過真空擠出機(jī)擠成蜂窩狀的泥胚，注意擠出速度保持在1～1.5 m/min，壓力在2.5～5.5 MPa，溫度在10～30 ℃，真空度小于-0.096 MPa，擠出長度在300～1300 mm，擠出胚體截面為155.5～157.5 mm，胚體用帶海綿內(nèi)襯的紙箱包裝，置于干燥小車上。

3.6 一級干燥

一干是催化劑制造中關(guān)鍵的工序，耗時7～12 d。用熱蒸汽加熱和加濕，通過溫度逐漸上升和濕度逐漸下降來干燥。一干中催化劑溫度分布與熱傳遞、濕度梯度方向相反，阻礙自由水的遷移，為避免干燥過快產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致催化劑開裂或變形，加熱周期內(nèi)多次經(jīng)過恒濕升溫、恒溫恒濕、恒溫降濕階段，最后平緩降溫，即關(guān)閉熱源，等溫度降至室溫后，方可取出；一級干燥溫濕度控制參數(shù)如表2所示。

表2 一級干燥溫濕度參數(shù)

3.7 二級干燥

將一干后催化劑從紙箱內(nèi)取出，放在二級干燥車上送入隧道窯內(nèi)，在溫度為(60±5)℃，濕度為20%±5%下進(jìn)一步鼓風(fēng)干燥，直至水分降至3%以內(nèi)，不然焙燒時容易產(chǎn)生裂紋，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3.8 焙燒

焙燒也是催化劑制造的關(guān)鍵工序，焙燒過程生成活性物質(zhì)，形成大的比表面積、微孔及機(jī)械強(qiáng)度。焙燒依次經(jīng)過升溫段Ⅰ、恒溫段Ⅱ、升溫段Ⅰ、恒溫段Ⅱ和降溫段，應(yīng)注意控制網(wǎng)帶窯內(nèi)各段的溫度場、熱風(fēng)流場和排氣管道靜壓，溫度和濕度場不均會使同一催化劑失去水分不同，在冷卻定型階段則橫縱方向收縮不一致，導(dǎo)致變形、開裂。焙燒曲線如圖1所示。

圖1 催化劑焙燒曲線

在不同溫度段，催化劑發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，加入物料、有機(jī)物和助劑如單乙醇胺在70 ℃、硬脂酸在100 ℃、乳酸在122 ℃、聚環(huán)氧乙烷在165 ℃、偏釩酸銨在210 ℃、羧甲基纖維素在252 ℃開始揮發(fā)、分解或碳化，其中最重要的是活性物質(zhì)V2O5生成反應(yīng)：2NH4VO3→V2O5+2NH3↑+H2O↑。

應(yīng)注意物質(zhì)分解使網(wǎng)帶窯內(nèi)溫度場變化和爐內(nèi)氧氣含量，氧氣量低導(dǎo)致催化劑顏色變深。因催化劑陶瓷化才具有較高強(qiáng)度，且要避免燒結(jié)，而銳鈦型TiO2在625 ℃以上易金紅石型轉(zhuǎn)化，故焙燒最高溫度不超過625 ℃。

3.9 定尺切割

切割是將經(jīng)焙燒后的催化劑用雙端面切割鋸床切割成設(shè)計尺寸，應(yīng)避免切割時催化劑不平穩(wěn)導(dǎo)致掉角破損，或位置偏移致催化劑過多切割、漏切的現(xiàn)象發(fā)生。

3.10 端面硬化

端面硬化是對催化劑端部強(qiáng)化，提高抗磨損強(qiáng)度，延長壽命。將催化劑一端浸入硬化液中，浸漬后晾干，硬化液一般為硫酸鋁和有機(jī)酸的水溶液，煅燒后在端面覆蓋一層致密的氧化鋁?？刂朴不簻囟仍?0 ℃，浸入深度為20 mm，浸漬時間為30 s。

3.11 模塊組裝

模塊組裝是催化劑單體組合成一個整體的過程，組裝質(zhì)量影響著脫硝性能的發(fā)揮。將催化劑單體整齊排列填滿模塊箱，硬化端位于煙氣入口方向，模塊箱與催化劑接觸處墊襯陶瓷纖維棉，單體間隔有陶瓷纖維墊片，以保證密封。側(cè)板通過螺栓固定在頂板和底板上，并通過側(cè)板的擠壓力將催化劑緊固在模塊箱內(nèi)，側(cè)板間間隙采用角鋼焊接牢固，并在模塊格柵頂板面安裝防大顆粒灰塵的金屬過濾網(wǎng)，模塊用塑料膜打包密封，并內(nèi)置干燥劑防潮。

3.12 模塊裝卸

用叉車裝卸模塊，模塊用木托盤支撐固定。模塊裝卸要輕放輕移，防止傾倒而損壞單體，防止薄膜破損而使單體吸潮。模塊裝車時，模塊內(nèi)單體水平放置，單體孔道與行進(jìn)方向垂直，防止單體在運(yùn)輸中錯位。車廂底部必須裝橡膠墊板，模塊之間以木板間隔，防止模塊在車廂內(nèi)傾斜、碰撞而損壞單體薄膜，用防潮防雨篷布完全覆蓋并固定。

4 結(jié) 語

隨著市場競爭日趨激烈，脫硝催化劑由價格競爭必然走向質(zhì)量競爭，產(chǎn)品質(zhì)量過硬才是走出困境和突出自身優(yōu)勢的辦法。脫硝催化劑的生產(chǎn)工藝非常復(fù)雜，技術(shù)含量高，對原料品質(zhì)和設(shè)備性能要求較高，尤其是混煉、一干和焙燒，設(shè)備和控制操作復(fù)雜、影響因素多，任一環(huán)節(jié)的問題將影響催化劑質(zhì)量。因此，要求在每個工藝階段嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)控制生產(chǎn)，以生產(chǎn)出高質(zhì)量的催化劑產(chǎn)品。

[1] 華攀龍,于光喜,華杰,等.蜂窩式SCR脫硝催化劑制造中幾個關(guān)鍵工序的技術(shù)分析[J].機(jī)械制造與工程,2015,44(7):71-73.

[2] 朱崇兵,金保升,仲兆平.蜂窩式SCR脫硝催化劑的工業(yè)制備及性能試驗(yàn)[J].鍋爐技術(shù),2012, 43(2):69-74.

[3] 董長青.火電廠SCR脫硝催化劑壽命預(yù)估研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報,2016,43(3):64-68.

Key Technical Analysis of Honeycomb SCR Denitration Catalyst Production Process

WANGWei,GUOXiu-lian,HANHang,ZHOUKang,CHENHui

(Hubei Light Industry Institute of Research and Design, Hubei Wuhan 430052, China)

SCR (Selective Catalytic Reduction) denitration catalyst has a large specific surface area, high denitration efficiency and low rate of ammonia escape, which is widely used in coal-fired boiler flue gas removal process. Based on years of production technology practice, raw materials and its effect of honeycomb denitration catalyst production were introduced and the key technology in the process of production was further analyzed. The theory and practice were combined in order to find a solution to solve the problems of catalyst production process and ensure the quality and performance in the production process of denitration catalyst.

honeycomb; SCR; denitration catalyst; key technical

王偉(1985-)，男，碩士，主要研究納米功能材料、脫硝催化劑材料、陶瓷材料等。

TQ032.47

A

1001-9677(2016)020-0132-03