蜂窩式煙氣脫硝催化劑脫硝反應速率的計算

王仁虎，賈 曼，史培雪

（北京清樹科技發展有限公司，北京 100041）

蜂窩式煙氣脫硝催化劑脫硝反應速率的計算

王仁虎，賈 曼，史培雪

（北京清樹科技發展有限公司，北京 100041）

采用自制催化劑反應性能實驗裝置測定了商用蜂窩式煙氣脫硝催化劑的脫硝效率，通過對催化劑幾何參數和脫硝效率的理論推導及實際測定，計算了催化劑單位微觀比表面積的有效厚度反應速率和單個V2O5分子的有效厚度反應速率。實驗結果表明，在V2O5的質量分數低于1.5%的范圍內，隨著V2O5質量分數的增加，單位微觀比表面積的有效厚度反應速率呈線性增長，單個V2O5分子的有效厚度反應速率降低；活性組分V2O5的質量分數越高，反應速率越快，但每個V2O5分子的貢獻率降低。

脫硝催化劑；蜂窩式；反應速率；V2O5質量分數

氮氧化物（NOx）是大氣污染物之一，主要來自化石燃料燃燒，不僅是酸雨形成的主要原因，且可與碳氫化物、臭氧等反應，形成光化學煙霧，同時也是霧霾形成的前體之一，給生態環境和人類生產、生活帶來了嚴重的危害［1］。選擇性催化還原（SCR）技術是國內外脫硝行業最成熟的技術，其原理主要是以NH3為還原劑，在催化劑的作用下選擇性地將煙氣中的NOx還原成無毒無污染的N2和 H2O［2］。

目前應用最廣泛的SCR脫硝催化劑為釩鎢（鉬）鈦系催化劑（V2O5-WO3（MoO3）/TiO2），該催化劑以V2O5為活性組分，TiO2為載體，WO3、MoO3等為催化助劑。活性組分V2O5不僅可將NOx還原為N2，同時也會將煙氣中的SO2氧化為SO3［3］，SO3與煙氣環境中的水蒸氣生成硫酸，不僅腐蝕設備，還與煙氣中其他金屬和非金屬物質發生反應生成硫酸鹽導致催化劑中毒堵塞［4］。因此，在選擇活性組分含量時需要綜合考慮，一方面使脫硝催化劑完成NOx減排的目標，另一方面控制SO2的氧化率，減少催化劑的副反應。

本工作通過對催化劑幾何參數和脫硝效率的理論推導及實際測定，計算了催化劑單位微觀比表面積的有效厚度反應速率和單個V2O5分子的有效厚度反應速率，為催化劑活性組分V2O5質量分數的選擇提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及材料

試樣采用江蘇龍源催化劑有限公司的商用蜂窩式煙氣脫硝催化劑；比表面積測定使用美國Beckman Coulter 公司 SA 3100 型比表面積分析儀；V2O5質量分數w（V2O5）的測定儀器使用日本理學Rigaku公司ZSX Primus Ⅱ型號的波長色散X射線熒光光譜儀；脫硝效率的測定裝置使用自制催化劑反應性能實驗裝置，根據標準GB/T 31587—2015的要求［5］搭建，裝置示意圖見圖1。

圖1 催化劑反應性能實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of catalyst denitration performance testing device.

1.2 實驗方法

蜂窩式煙氣脫硝催化劑單元體示意圖見圖2。用卷尺測量單元體的長度l，精確至1.0 mm；用游標卡尺測量單元體的橫截面尺寸a、b和孔徑da、db，精確至0.01 mm。孔徑d為a、b方向的孔徑da、db的算術平均值。測量點的位置分散且分布均勻，孔徑測量點的數量為10個，取算術平均值作為測定結果。

圖2 催化劑單元體示意圖Fig.2 Schematic diagram of catalyst cell cube.

比表面積的測定方法按標準GB/T 19587—2004中的多點BET法［6］進行測試。V2O5質量分數的測定方法按照標準GB/T 31590—2015中的熔融法［7］進行測試。

脫硝效率的測定方法按標準GB/T 31587—2015的方法［5］進行測試。每組試樣選用同一批次的兩根長度為500 mm（截面尺寸為150 mm×150 mm）無明顯物理損傷的單元體串聯而成。測試煙氣條件見表1。

表1 脫硝效率測試煙氣條件Table 1 Flue gas condition for denitration performance testing

催化劑的脫硝效率（η），是指煙氣通過催化劑后脫除的NOx量與原煙氣中所含NOx量的比，按式（1）計算。

式中，C1為反應器入口NOx的體積（標準狀態，干基），μL/L；C2為反應器出口NOx體積（標準狀態，干基），單位為μL/L。

2 結果與討論

2.1 蜂窩式煙氣脫硝催化劑幾何參數的計算

催化劑的幾何比表面積（Ap）是指煙氣通過催化劑通道的總表面積與催化劑體積的比值，按式（2）計算。

式中，d為催化劑的孔徑，mm；n為催化劑單元體端面一排孔的數量；a，b為催化劑單元體橫截面上的長和寬，mm。

催化劑的開孔率（ε）是指煙氣流通催化劑通道的截面積與催化劑總截面積的比值，按式（3）計算。

試樣的幾何參數計算結果見表2。

表2 試樣的幾何參數計算結果Table 2 Geometry parameter calculation results of testing samples

2.2 蜂窩式煙氣脫硝催化劑脫硝反應速率的計算

已知蜂窩式脫硝催化劑試樣的體積為V，質量為m，催化劑的真實密度為ρ，則催化劑試樣的幾何比表面積為VAp。由于脫硝反應發生在催化劑的表層［8-9］，假設參與脫硝反應的催化劑有效厚度為h，則參與脫硝反應的試樣體積為VAph，參與脫硝反應的試樣質量為 VAphρ = VAphm/（V（1 - ε））=Aphm/（1 - ε），參與脫硝反應的試樣微觀比表面積為Aphm/（1 - ε）SBET，單位有效厚度的試樣微觀比表面積為Apm/（1 -ε）SBET。式中，m為催化劑的質量，kg；SBET為催化劑的比表面積，m2/g。

蜂窩式脫硝催化劑試樣的總微觀比表面積為mSBET，V2O5的相對分子質量為M（V2O5），則試樣中 V2O5分子總個數為 mw（V2O5）/M（V2O5）NA（NA為阿伏伽德羅常數，6.02×1023mol-1），由于脫硝催化劑的V2O5平均分散在催化劑表面［10-12］，則V2O5單位微觀比表面積的分子數為w（V2O5）/M（V2O5）NA/SBET。

NOx反應速率（r）按式（4）計算：

式中，Q為催化劑反應性能實驗裝置的煙氣流量，m3/h。

單位微觀比表面積的有效厚度反應速率（rB）按式（5）計算。

單個V2O5分子的有效厚度反應速率（rM）按式（6）計算：

試樣的脫硝反應速率計算結果見表3。

表3 試樣的脫硝反應速率計算結果Table 3 Reaction rate calculation results of testing samples

在脫硝催化劑中，V2O5是活性組分，根據表3的計算結果分析V2O5的質量分數與NOx反應速率的關系，結果分別見圖3和圖4。從圖3可看出，在V2O5的質量分數低于1.5%時，隨V2O5質量分數的增加，單位微觀比表面積的有效厚度的反應速率基本呈線性增長，即活性組分V2O5質量分數越高，反應速率越快。從圖4中可看出，在V2O5質量分數低于1.5%時，隨V2O5質量分數的增加，單個V2O5分子的有效厚度的反應速率降低。這可能是由于隨V2O5質量分數的增加，催化劑表面孤立的VOx物種所占比例減少，聚合的VOx物種所占比例增加，多聚的VOx物種的SCR反應活性高于孤立VOx物種所致［10］。因此，催化劑活性組分V2O5的質量分數越高，反應速率越快，但每個V2O5分子的貢獻率降低。

圖3 V2O5質量分數與單位微觀表面積的有效厚度反應速率的關系曲線Fig.3 Relationship between V2O5 mass content and the effective thickness reaction rate per micro surface area.

圖4 V2O5質量分數與單個V2O5分子的有效厚度反應速率的關系曲線Fig.4 Relationship between V2O5 mass content and the effective thickness reaction rate per V2O5 molecular.

3 結論

1）在催化劑活性組分V2O5質量分數低于1.5%時，隨V2O5質量分數的增加，單位微觀比表面積的有效厚度反應速率呈線性增長，單個V2O5分子的有效厚度反應速率降低。

2）催化劑活性組分V2O5的質量分數越高，反應速率越快，但每個V2O5分子的貢獻率降低。

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Reaction rate calculation of honeycomb-type flue gas denitration catalyst

Wang Renhu，Jia Man，Shi Peixue
（Beijing Qingshu Technologу Co. Ltd.，Beijing 100041，China）

Denitration efficencу of commerial honeуcomb-tуpe flue gas denitration catalуst was determined bу homemade catalуtic performance testing device. Through theoretical derivation and experimental determination on geometric parameters and denitration efficiencу，the reaction rate of effective thickness per microscopic surface area and the reaction rate of effective thickness per V2O5molecule were calculated. Results showed in the range of V2O5mass fraction lower than 1.5%，reaction rate of effective thickness per microscopic surface area growed linearlу with the increase of V2O5mass fraction，however，reaction rate of effective thickness per V2O5molecule decreased.Namelу，the higher the V2O5mass fraction，the faster the denitration rate. However，the contribution of each V2O5molecule decreased.

denitration catalуst；honeуcomb-tуpe；reaction rate；vanadium pentoxide mass fraction

1000-8144（2017）10-1283-05

TQ 032

A

2017-04-21；［修改稿日期］2017-07-06。

王仁虎（1986—），男，浙江省臺州市人，碩士，工程師，電話 010-82565815，電郵 wangrenhu2010@163.com。

10.3969/j.issn.1000-8144.2017.10.011

（編輯 平春霞）