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.國電環保設備有限公司,江蘇南京 210044;2.北京國電龍源環保工程有限公司,北京 100039 3.大唐景泰發電廠,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.國電環保設備有限公司,江蘇南京 210044;2.北京國電龍源環保工程有限公司,北京 100039 3.大唐景泰發電廠,甘肅白銀 730408)

利用自制抗磨損性能模擬試驗裝置對 SCR蜂窩式催化劑進行了抗磨損性能的試驗研究。結果表明,催化劑的磨損強度主要受空速和磨損劑濃度的影響,尤其以空速影響較大。隨著催化劑孔數的增加,催化劑磨損強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、分級燃燒或水蒸汽注入[1]等技術可以降低NOx排放濃度,但是這些技術成本高,脫硝效率低,而且會對鍋爐產生負面影響,難以大規模推廣使用[2]。隨著我國火電廠大氣污染物排放標準(GB 13223-2003)的正式頒行,我國對電站 NOx的排放做出了更為嚴格的規定。因此,脫銷效率高、價格相對低廉,對鍋爐適應性好的 SCR(Selective Catalytic Reduction)技術在我國開始得到應用并呈上升趨勢。催化劑是 SCR系統中最重要的組成部分,目前市場上 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系統脫銷效率,其采購、更換與維護成本更是 SCR系統運行費用的主要部分。影響蜂窩式催化劑活性的因素很多,煙塵顆粒對催化劑的磨損是其失活的主要原因之一。由于我國煤種的特性及成本的原因,電廠往往會燃用高鈣煤、劣質煤,燃用這些煤種產生的煙塵顆粒大,硬度高,成分復雜,更加劇了催化劑的磨損,嚴重時會縮短催化劑更換周期,增加維護費用。因此,對蜂窩式催化劑抗磨損性能進行試驗研究,具有一定的理論和實踐意義。本文對蜂窩式 SCR催化劑的磨損性能進行了研究,系統討論了磨損劑濃度、空速 (以催化劑容積體積計算)、接觸時間以及蜂窩式催化劑孔數等因素對催化劑磨損性能的影響,為燃煤電廠根據不同的煙氣條件選擇合適的催化劑提供理論依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置及材料

抗磨損性能模擬試驗裝置為江蘇龍源催化劑有限公司自制;SCR蜂窩式催化劑采用江蘇龍源催化劑有限公司生產的三種型號催化劑;磨損劑為江蘇宜興產精制石英礦砂;端部硬化浸漬液為江蘇龍源催化劑有限公司研制;全自動電子天平生產商為梅特勒托利多(上海)儀器有限公司。

1.2 試驗方法

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樣品,經過特定時間后通過測量試驗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度和凈失重率。

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

2 結果與討論

2.1 SCR蜂窩式催化劑磨損機理

對磨損后蜂窩式催化劑進行對照分析,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有暴露在磨損劑中,因而沒有明顯的磨損現象。試驗試塊端部被磨損后,端面總體呈弧形并向內凹進,而且每一個通孔的內壁也是成弧形。這可能是因為,管道內和通孔內的風速分布遵循流體動力學,由于滯流邊界層的存在,靠近管道壁面和催化劑內壁面的風速較小,因而裹挾其中的磨損劑動能較小,從而對靠近管道壁面部分的催化劑磨損相對小。而處于管道和通孔中部的風雷諾系數大,風速高,其中的磨損劑動能較高,從而對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,磨損后的催化劑內壁變得更加光滑,且厚度減小,造成這種現象的原因可能是“馬格努斯效應”(見圖 1、2)。

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

圖1 馬格努斯效應示意

圖2 煙塵顆粒對催化劑壁面磨損示意

2.2 磨損劑濃度對催化劑磨損強度的影響

磨損劑濃度與催化劑磨損強度的關系見圖 3a。從圖 3a可以看出,隨著磨損劑用量的增加,在同樣的試驗時間內,磨損失重率逐漸增加,磨損強度先增加后減小。磨損強度的定義為每消耗 1 kg硅砂時催化劑的磨損失重率,當硅砂的重量 (飛灰濃度)超過一定范圍之后(在本試驗中為 32 g/m3),磨損強度反而有所下降。

2.3 空速對催化劑磨損強度的影響

空速與催化劑磨損強度的關系見圖 3b。從圖3b可以看出,空速對催化劑磨損強度有較大影響。在同樣的試驗時間和飛灰濃度下,隨著空速的增加,磨損強度和磨損失重率快速增加,抗磨損性能降低。由催化劑磨損機理可知,靠近管道壁面和催化劑內壁面的風速較小,因而裹挾其中的磨損劑動能較小,從而對靠近管道壁面部分的催化劑磨損相對小。而處于管道和通孔中部的風速高,其中的磨損劑動能較高,從而對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,對于相同的飛灰濃度,風速越高,磨損劑動能越大,磨損強度和磨損失重率快速增加。在 SCR脫硝工程中,如果催化劑實際運行條件偏離設計要求,如煙氣量增加將會導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系統運行成本。

2.4 磨損時間對催化劑磨損強度的影響

磨損時間與催化劑磨損強度的關系見圖 3c。從圖 3c可以看出,催化劑凈失重率隨著磨損時間的增加而升高,兩者呈現近乎線性關系,但催化劑磨損強度的曲線在系統運行 3 h后趨于平穩,即當試驗趨于穩定后,磨損強度基本上與磨損時間無關。

圖3 催化劑濃度、空速、磨損時間與磨損強度的關系

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,硬化液受熱后化學組成發生改變,生成一種硬度遠高于煙塵顆粒的化學物質,當煙塵顆粒撞擊在硬化層上,硬化層可以保護催化劑不被磨損。

圖4 催化劑硬化層作用原理

催化劑經過端部硬化處理后,參比試塊和試驗試塊經過磨損試驗發現,其端部和壁面均沒有發生明顯的磨損現象,未硬化處理的試驗試塊端部被磨損后總體呈弧形并向內凹進,說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。同時為了考察催化劑在浸漬了端部硬化液后對脫硝效率的影響,在同一根催化劑上另外選取兩塊活性試驗試塊,其中一塊進行硬化處理,另一塊未進行硬化處理,分別測試兩者的脫硝效率,結果如表 1所示。兩者的脫硝效率保持不變,說明催化劑浸漬端部硬化液后不會對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比

試驗中選取抗壓強度近似的三種型號催化劑。隨著孔數的增加,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。端部經過硬化處理的催化劑,其抗磨損性能相對于未經硬化處理的明顯提高,總體趨勢仍然是隨著孔數的增加,抗磨損性能相對提高。經過硬化處理的催化劑,其壁厚被磨耗減薄的程度急劇減小,相對于未經硬化處理的催化劑,三種規格催化劑壁厚被磨耗減薄的程度趨于一致。這說明,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,減少更換和維護成本。

3 結語

利用自制的 SCR蜂窩式催化劑抗磨損性能模擬試驗裝置,對催化劑進行了抗磨損性能試驗研究,結果表明,催化劑的磨損強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。同時還表明,隨著催化劑孔數增加,催化劑的磨損強度和抗磨損性能同步提高。以上結果說明,電廠的實際運行條件會較大的影響催化劑的抗磨損性能和使用壽命,在進行催化劑選型設計時,應該根據電廠實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,許世森,王志強.選擇性催化還原煙氣脫硝技術進展及工程應用[J].熱力發電,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、脫硝技術研究工作。E-mail:hws2361@163.com