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催化剂作为SCR脱硝反应的核心,其质量和性能直接关系到脱硝效率的高低,所以,在火电厂脱硝工程中, 除了反应器及烟道的设计不容忽视外,催化剂的参数设计同样至关重要。

催化剂作为SCR脱硝反应的核心,其质量和性能直接关系到脱硝效率的高低,所以,在火电厂脱硝工程中, 除了反应器及烟道的设计不容忽视外,催化剂的参数设计同样至关重要。

一般来说,脱硝催化剂都是为项目量身定制的,即依据项目烟气成分、特性,效率以及客户要求来定的。催化剂的性能(包括活性、选择性、稳定性和再生性)无法直接量化,而是综合体现在一些参数上,主要有:活性温度、几何特性参数、机械强度参数、化学成分含量、工艺性能指标等。

1.活性温度

催化剂的活性温度范围是最重要的指标。反应温度不仅决定反应物的反应速度,而且决定催化剂的反应 活性。如V2O5-WO3/TiO2催化剂,反应温度大多设在280~420℃之间。如果温度过低,反应速度慢,甚至生 成不利于NOx降解的副反应;如温度过高,则会出现催化剂活性微晶高温烧结的现象。

2.几何特性参数

2.1节距/间距

这是催化剂的一个重要指标,通常以P表示。其大小直接影响到催化反应的压降和反应停留时间,同时还 会影响催化剂孔道是否会发生堵塞。对蜂窝式催化剂,如蜂窝孔宽度为(孔径)为d,催化剂内壁壁厚为t, 则:

P=d+t

对平板和波纹式催化剂,如板与板之间宽为d,板的厚度为t,则:

P=d+t

由于SCR装置一般安装在空预器之前,飞灰浓度可大于15g/m3(干,标态),如果催化剂间隙过小,就会造成 飞灰堵塞,从而阻止烟气与催化剂接触,效率下降,磨损加重。一般情况下,蜂窝式催化剂堵灰要比平板式 严重些,需要适当地加大孔径。燃煤电站SCR脱硝工程中的蜂窝式催化剂节距一般在6.3~9.2mm之间,同等 条件下,板式催化剂间距可以比蜂窝式稍小些。

2.2比表面积

比表面积是指单位质量催化剂所暴露的总表面积,或用单位体积催化剂所拥有的表面积来表示。由于脱 硝反应是一个多相催化反应,且发生在固体催化剂的表面,所以催化剂表面积的大小直接影响到催化活性 的高低,将催化剂制成高度分散的多孔颗粒为反应提供了巨大的表面积。蜂窝式催化剂的比表面积比平 板式的要大得多,前者一般在427~860m2/m3,后者约为其一半。

2.3孔隙率和比孔体积

孔隙率是催化剂中孔隙体积与整个颗粒体积之比。孔隙率是催化剂结构最直接的一个量化指标,决定了 孔径和比表面积的大小。一般催化剂的活性随孔隙率的增大而提高,但机械强度会随之下降。比孔体积 则指单位质量催化剂的孔隙体积。

2.4平均孔径和孔径分布

通常所说的孔径是由实验室测得的比孔体积与比表面相比得到的平均孔径。催化剂中的孔径分布很重要 ,反应物在微孔中扩散时,如果各处孔径分布不同,会表现出差异很大的活性,只有大部分孔径接近平均孔 径时,效果最佳。

3.机械强度参数

主要体现了催化剂抵抗气流产生的冲击力、摩擦力、耐受上层催化剂的负荷作用、温度变化作用、及相 变应力作用的能力。机械强度参数共有3个指标,即轴向机械强度、横向机械强度和磨耗率。前2个分别 是指单位面积催化剂在轴向和横向可承受的重量。磨耗率则是用一定的试验仪器和方法测定得到的单位 质量催化剂在特定条件小的损耗值,用于比较不同催化剂的抗磨损能力。

4.化学成分含量

即指活性组分及载体,如V2O5-WO3/TiO2催化剂中各成分的质量百分数。这其中关键为起催化作用的量, 助催化与载体的配比量也同样重要。根据不同用户的情况,含量会有所不同。一般情况下,V2O5占1% ~5%,WO3占5%~10%,TiO2占其余绝大部分比例。

5.工艺性能指标

包括体现催化剂活性的脱硝效率、SO2/SO3转化率、NH3逃逸率以及压降等综合性能指标。这些指标一般 在催化剂成品完成后需要在实验室实际烟气工况下进行检测,以确认各指标符合要求。

5.1脱硝效率

指进入反应器前、后烟气中NOx的质量浓度差除以反应器进口前的NOx浓度(浓度均换算到同一氧量下), 直接反映了催化剂对NOx的脱除效率。一般情况下,脱硝工程会设计初期脱硝率和远期脱硝率,通过初置 和预留若干催化剂层,今后逐层添加来满足未来可能日益严格的排放要求。

5.2SO2/SO3转化率

指烟气中SO2转化成SO3的比例。SO2/SO3转化率越高,催化剂活性越好,所需要催化剂量越少,但转化率过 高会导致空预器堵灰及后续设备腐蚀,而且会造成催化剂中毒。因此,一般要求SO2/SO3转化率小于1%。在钒钛催化剂中加入钨、钼等成分,可有效地抑制SO2转化成SO3。

5.3NH3逃逸率

催化剂反应器出口烟气中NH3的体积分数,它反映了未参加反应的NH3。如果该值高,一是会增加生产成本 ,造成NH3的二次污染;二是NH3与烟气中的SO3反应生成NH4HSO4和(NH4)2SO4等物质,会腐蚀下游设备,并 增大系统阻力。

5.4压降

烟气经过催化剂层后的压力损失。整个脱硝系统的压降是由催化剂压降以及反应器及烟道等压降组成, 这个压降应该越小越好,否则会直接影响锅炉主机和引风机的安全运行。在催化剂设计中合理选择催化 剂孔径和结构形式,是降低催化剂本身压降的重要手段。

5.5其他

除了以上物理、化学和工艺性能指标外,各特定SCR脱硝项目工程所采用的催化剂还有体积、尺寸等合同 指标,在催化剂评标、验收中也作为很重要的参数需要予以审核。

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编辑 | 北极星大气网公众号（bjxdqw）

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