低塵布置下新型微孔催化劑研究及應用

文_常慧芬 王中雷 曹彥軍 朱樂學 中節能六合天融環保科技有限公司

1 常見催化劑發展現狀

1.1 脫硝機理

SCR脫硝系統，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將NO和NO2還原成N2和H2O，而幾乎不發生NH3的氧化反應，從而提高了脫硝效率，減少了NH3的消耗。

其主要反應如下：

在SCR工藝系統中，催化劑是重要組成部分，它的性能直接影響SCR系統的整體脫硝效果，催化劑也是整個工藝設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 催化劑技術存在問題

目前常規催化劑使用范圍較廣，一般置于高含塵系統后，如燃煤鍋爐煙塵含量≥30g/Nm3，垃圾焚燒發電廠煙塵含量≥3g/Nm3，反應溫度范圍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）、鎘等會導致催化劑表面化學中毒（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，占據催化劑活性位，導致催化劑物理中毒（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，催化反應器布置在除塵器之后，煙氣先除塵后進入SCR反應器，可以防止煙氣中粉塵磨損催化劑、或堵塞反應器。

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

煙氣高溫除塵不僅為新型微孔SCR高效催化劑/SCR煙氣脫硝技術及裝置的研發提供了前提條件，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，在實現高效除塵的同時，降低了SCR的建設投資和運行成本，延長了催化劑的使用壽命，為后續的換熱、脫硫工作帶來正面影響，將開創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主要包含：孔徑、節距、內壁厚、外壁厚、比表面積、開孔率、機械強度等。

孔徑/節距：催化劑孔徑大小影響到整個反應系統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。

內壁厚/外壁厚：壁厚主要體現催化劑的機械強度、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。是衡量催化劑性能的一個重要指標。

開孔率：開孔率越大，催化劑比表面積越大，催化反應速率越快，是反應催化劑性能的一個量化指標，了解掌握其結構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用前景分析，掌握催化劑生產工藝技術，重點研究超細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、均勻性等技術改進，優化生產工藝參數，制備出最優的微孔催化劑，分別為25孔、30孔、35孔、40孔，適用范圍280～420℃。詳細物理參數對比見表2。

表2 微孔催化劑物理參數

2.2 優點

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

表3 催化劑選型參數表

由上表3對比可知：在相同設計參數下，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，還可使得反應器截面縮小，降低項目總投資成本及運行成本。

3 應用成果

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

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

表4 微孔SCR脫硝催化劑設計參數

本項目最終驗收結果：脫硝效率90%，大于設計參數，出口NOX濃度值滿足超低排放標準，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同組合在低塵環境下工作，不僅可以延長催化劑壽命，同時在設計參數相同的情況下相比，孔數越多的催化劑選型，總體積數越少SCR反應器體積設計減少。

4 結語

開發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域的重要發展方向之一。為我國超超低排放改造技術提供一種新的方向。低塵布置催化劑，使得催化劑工作環境大大提升改善，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反應器的設計體積，降低一次性投資和企業的運行費用。新型微孔催化劑未來在燃氣鍋爐、燒結機、垃圾焚燒發電等脫硝領域有著巨大的應用前景