1、SCR蜂窩式脫硝催化劑抗磨損性能研究 利用自制抗磨損性能模擬實驗裝置對SCR蜂窩式催化劑舉行了抗磨損性能的實驗研究。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強,催化劑磨損強度和抗磨損性能提高。 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(GB13223-2022)的正式頒

2、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 Cata2lytic Reduction)技術在我國開頭得到應用并呈升高趨勢。 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,其選購、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許多,煙塵顆粒對催化劑的磨損是其失活的主要緣由之一。因為我國煤種的特性及成本的緣由,電廠往往會燃用高鈣煤、劣質煤,燃用這

3、些煤種產生的煙塵顆粒大,硬度高,成分復雜,越發劇了催化劑的磨損,嚴峻時會縮短催化劑更換周期,增強維護費用。 因此,對蜂窩式催化劑抗磨損性能舉行實驗研究,具有一定的理論和實踐意義。本文對蜂窩式SCR催化劑的磨損性能舉行了研究,系統爭論了磨損劑濃度、空速(以催化劑容積體積計算)、接觸時光以及蜂窩式催化劑孔數等因素對催化劑磨損性能的影響,為燃煤電廠按照不同的煙氣條件抉擇合適的催化劑供應理論依據。 1實驗材料和方法 1.1實驗裝置及材料 抗磨損性能模擬實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

4、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實驗方法 取催化劑的一部分作為樣品,在105e烘箱中烘干1h,并放置在干燥皿中冷卻24h,將含有磨損劑的空氣以一定的流速通過樣品,經過特定時光后通過測量實驗試塊和參比試塊的分量損失與收集到的磨損劑分量決定試塊的磨損強度和凈失重率。 磨損強度=(1-W2/W1XW3/W4)/W5X100 凈失重率=(W1-W2+W4-W3)/W1X100 式中:W1為實驗試塊測試前分量,g;W2為實驗試塊測試后分量,g;W3為參比試塊測試前分量,g;W4為參比試塊測試后分量,g;W5為收集硅砂分量,kg。 2結果與爭論

5、2.1SCR蜂窩式催化劑磨損機理 對磨損后蜂窩式催化劑舉行對比分析,可以觀看到催化劑端部被磨損的狀況。參比催化劑試塊因為沒有裸露在磨損劑中,因而沒有顯然的磨損現象。實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。 這可能是由于,管道內和通孔內的風速分布遵循流體動力學,因為滯流邊界層的存在,逼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,從而對逼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越發光潔,且厚

6、度減小,造成這種現象的緣由可能是/馬格努斯效應0(見圖1、2)。 圖1馬格努斯效應暗示 圖2煙塵顆粒對催化劑壁面磨損暗示 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,因為滯流邊界層的存在,逼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翔速度矢量不重合,按照伯努力原理,速度差異會導致壓強差異,這樣在和顆粒飛翔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,顆粒偏離本來的飛翔軌跡發生偏轉,直接撞擊在催化劑壁面上,從而導致磨損。 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

7、出,隨著磨損劑用量的增強,在同樣的實驗時光內,磨損失重率漸漸增強,磨損強度先增強后減小。磨損強度的定義為每消耗1kg硅砂時催化劑的磨損失重率,當硅砂的分量(飛灰濃度)超過一定范圍之后(在本實驗中為32g/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。在同樣的實驗時光和飛灰濃度下,隨著空速的增強,磨損強度和磨損失重率迅速增強,抗磨損性能降低。由催化劑磨損機理可知,逼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,從而對逼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

8、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迅速增強。在SCR脫硝工程中,倘若催化劑實際運行條件偏離設計要求,如煙氣量增強將會導致催化劑的磨損加劇,抗磨損性能下降,必定影響催化劑的壽命,增強SCR系統運行成本。 2.4磨損時光對催化劑磨損強度的影響 磨損時光與催化劑磨損強度的關系見圖3c。 圖3催化劑濃度、空速、磨損時光與磨損強度的關系 從圖3c可以看出,催化劑凈失重率隨著磨損時光的增強而上升,兩者展現近乎線性關系,但催化劑磨損強度的曲線在系統運行3h后趨于安穩,即當實驗趨于

9、穩定后,磨損強度基本上與磨損時光無關。 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轉變,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,硬化層可以庇護催化劑不被磨損。 圖4催化劑硬化層作用原理 催化劑經過端部硬化處理后,參比試塊和實驗試塊經過磨損實驗發覺,其端部和壁面均沒有發生顯然的磨損現象,未硬化處理的實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顯然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

10、另外選取兩塊活性實驗試塊,其中一塊舉行硬化處理,另一塊未舉行硬化處理,分離測試兩者的脫硝效率,結果如表1所示。 表1硬化前后催化劑脫硝效率對照項 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。 實驗中選取抗壓強度近似的三種型號催化劑。隨著孔數的增強,催化劑磨損減重、壁厚被磨耗減薄程度均漸漸降低,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顯然提高,總體趨勢仍舊是隨著孔數的增強,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全都。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,削減更換和維護成本。 3結語 利用自制的SCR蜂窩式催化劑抗磨損性能模擬實驗裝置,對催化劑舉行了抗磨損性能實驗研究,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