低塵布置下新型微孔催化劑研究及應(yīng)用

文_常慧芬 王中雷 曹彥軍 朱樂學(xué) 中節(jié)能六合天融環(huán)保科技有限公司

1 常見催化劑發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 脫硝機理

SCR脫硝系統(tǒng)，主要是在催化劑作用下，還原劑NH3在相對適合的溫度范圍內(nèi)將NO和NO2還原成N2和H2O，而幾乎不發(fā)生NH3的氧化反應(yīng)，從而提高了脫硝效率，減少了NH3的消耗。

其主要反應(yīng)如下：

在SCR工藝系統(tǒng)中，催化劑是重要組成部分，它的性能直接影響SCR系統(tǒng)的整體脫硝效果，催化劑也是整個工藝設(shè)備中成本最高的一部分。

1.2 催化劑的分類（表1）

表1 催化劑的分類

1.3 催化劑技術(shù)存在問題

目前常規(guī)催化劑使用范圍較廣，一般置于高含塵系統(tǒng)后，如燃煤鍋爐煙塵含量≥30g/Nm3，垃圾焚燒發(fā)電廠煙塵含量≥3g/Nm3，反應(yīng)溫度范圍320～400℃，一般不需要額外的熱源加熱處理煙氣，適合采用中高溫催化劑，運行費用相對較低。但煙氣中含有的重金屬砷（As）、鎘等會導(dǎo)致催化劑表面化學(xué)中毒（不可逆），降低催化劑活性；煙氣中的水蒸氣（20%含量）在催化劑表面吸附，占據(jù)催化劑活性位，導(dǎo)致催化劑物理中毒（可逆），催化劑活性降低；對于高含塵煙氣，催化劑煙氣通道必須加大以避免堵灰，這樣會降低催化劑的比表面積，從而會增大催化劑的用量。

高溫高塵布置，飛灰顆粒對SCR脫硝催化劑的磨損是導(dǎo)致催化劑使用壽命降低的主要因素之一。對于低灰段布置，催化反應(yīng)器布置在除塵器之后，煙氣先除塵后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，可以防止煙氣中粉塵磨損催化劑、或堵塞反應(yīng)器。

高溫低塵SCR脫硝工藝，一直是國外研究機構(gòu)和大型企業(yè)的研究熱點和難點，成都易態(tài)科技有限公司填補了行業(yè)技術(shù)空白，研發(fā)并成功用于項目案例的金屬間化合物柔性膜高溫除塵器，區(qū)別于燃煤鍋爐傳統(tǒng)污染物控制技術(shù)的主要特征。

煙氣高溫除塵不僅為新型微孔SCR高效催化劑/SCR煙氣脫硝技術(shù)及裝置的研發(fā)提供了前提條件，而且避免或減輕了高濃度粉塵所造成的SCR催化劑堵塞、磨損和中毒，在實現(xiàn)高效除塵的同時，降低了SCR的建設(shè)投資和運行成本，延長了催化劑的使用壽命，為后續(xù)的換熱、脫硫工作帶來正面影響，將開創(chuàng)燃煤污染物控制的新途徑。

2 新型微孔催化劑

2.1 特性

催化劑性能評價指標(biāo)主要包含：孔徑、節(jié)距、內(nèi)壁厚、外壁厚、比表面積、開孔率、機械強度等。

孔徑/節(jié)距：催化劑孔徑大小影響到整個反應(yīng)系統(tǒng)的壓降及氨煙混合氣體在其表面停留接觸時間。合理的停留時間有效提高了脫硝的效率。

內(nèi)壁厚/外壁厚：壁厚主要體現(xiàn)催化劑的機械強度、抗壓力、抗摩擦力等沖擊，同時也是衡量催化劑活性的一個重要參數(shù)值。

比表面積：主要指單位體積催化劑裸露在的外表的面積數(shù)。是衡量催化劑性能的一個重要指標(biāo)。

開孔率：開孔率越大，催化劑比表面積越大，催化反應(yīng)速率越快，是反應(yīng)催化劑性能的一個量化指標(biāo)，了解掌握其結(jié)構(gòu)特點對提高其性能有重要影響。

通過對微孔催化劑將來的應(yīng)用前景分析，掌握催化劑生產(chǎn)工藝技術(shù)，重點研究超細(xì)納米銳鈦型鈦白粉制備、微孔薄壁催化劑泥料制備、微孔薄壁催化劑成型機擠出壓力、均勻性等技術(shù)改進(jìn)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，制備出最優(yōu)的微孔催化劑，分別為25孔、30孔、35孔、40孔，適用范圍280～420℃。詳細(xì)物理參數(shù)對比見表2。

表2 微孔催化劑物理參數(shù)

2.2 優(yōu)點

假設(shè)某超底排放項目煙氣量47萬Nm3/h（標(biāo)況），SCR系統(tǒng)入口NOX濃度400mg/Nm3、出口NOX濃度50mg/Nm3，催化劑布置于低塵環(huán)境下。通過計算可得，不同孔徑催化劑用量對比見表3。

表3 催化劑選型參數(shù)表

由上表3對比可知：在相同設(shè)計參數(shù)下，微孔型催化劑使用量更小。

微孔催化劑孔徑小，單位體積比表面積大，增大了煙氣與催化劑的接觸面積，提高了脫硝效率；低塵布置不僅可以延長催化劑的使用壽命，還可使得反應(yīng)器截面縮小，降低項目總投資成本及運行成本。

3 應(yīng)用成果

微孔和小孔SCR脫硝催化劑可以在燃煤電廠、垃圾焚燒發(fā)電廠、鋼鐵廠，焦化以及其他工業(yè)爐窯煙氣脫硝中使用。

國家大氣重點研發(fā)專項《燃煤鍋爐污染物（SO2、NOx、PM）一體化控制技術(shù)研究及工程示范》依托XXX公司建設(shè)的中試實驗工程，已經(jīng)安裝運行完成。該工程使用的微孔SCR催化劑設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 微孔SCR脫硝催化劑設(shè)計參數(shù)

本項目最終驗收結(jié)果：脫硝效率90%，大于設(shè)計參數(shù)，出口NOX濃度值滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，催化劑磨損情況良好。充分說明：微孔小孔蜂窩SCR脫硝催化劑與高溫除塵工藝協(xié)同組合在低塵環(huán)境下工作，不僅可以延長催化劑壽命，同時在設(shè)計參數(shù)相同的情況下相比，孔數(shù)越多的催化劑選型，總體積數(shù)越少SCR反應(yīng)器體積設(shè)計減少。

4 結(jié)語

開發(fā)新型微孔小孔催化劑，并與高溫除塵器的組合使用是未來煙氣除塵脫硝領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。為我國超超低排放改造技術(shù)提供一種新的方向。低塵布置催化劑，使得催化劑工作環(huán)境大大提升改善，延長了使用壽命，避免了堵塞，同時催化劑在高空速條件下使用，減小SCR反應(yīng)器的設(shè)計體積，降低一次性投資和企業(yè)的運行費用。新型微孔催化劑未來在燃?xì)忮仩t、燒結(jié)機、垃圾焚燒發(fā)電等脫硝領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景