玻璃熔窑SCR脱硝催化剂的选型与布置

张志刚，史 薇

（江苏中建材环保研究院有限公司，盐城 224051）

随着国家环保政策的日趋严格和减排工作的大力开展，国家对工业窑炉烟气排放标准同样要求越来越严。《平板玻璃工业大气污染物排放标准》（GB 26453—2011）中，对氮氧化物的排放浓度作了限制，即NOx最高排放浓度为700mg/m3（标干，8%含氧量）。因此作为一种高效脱硝工艺的SCR法（选择性催化还原）在玻璃熔窑烟气脱硝方面，被广泛采用。

在选择性催化还原法（SCR）中，催化剂的选型和布置是至关重要的，直接影响到脱硝效率。由于我国玻璃行业脱硝起步较晚，相关的工程实例较少，所以在催化剂的选型及布置方面多参考火电厂脱硝技术相关经验。但相对于火电锅炉来说，由于多数玻璃厂烟气量较小、且含有碱金属等特性，致使火电行业脱硝催化剂的选型及布置对玻璃行业并不完全适用。

1 SCR催化剂

选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术是利用NH3和NOx在催化剂作用下使NOx还原的技术。SCR系统中的重要组成部分是催化剂，催化剂的作用是降低NOx分解反应的活化能，使其反应温度降低至适宜的温度区间。

1.1 SCR催化剂成分

常用的金属基催化剂主要含有V2O5（WO3）、Fe2O3、CuO、MoO3等金属氧化物，并以TiO2、Al2O3、SiO2和活性炭等作为载体［1］。玻璃熔窑脱硝一般采用钛基钒类催化剂，如V2O5－WO3/TiO2。其中V2O5为主催化剂，它的活性好、表面呈酸性，容易将碱性的NH3捕捉到催化剂表面，其特定的氧化优势有利于将氨和NOx转化为氮气和水，并且工作温度相对较低，能在富氧环境下工作，抗中毒能力较强，可负载于Al2O3、SiO2等氧化物中；WO3为助催化剂，可改善催化剂的活性、选择性，提高催化剂的酸度和热稳定性；TiO2作为催化剂载体，其本身比表面积较高，稳定性好，且可与V2O5和WO3发生电子协同效应，提高催化剂的脱硝性能［2，3］。

1.2 玻璃熔窑烟气特性对催化剂影响

纯碱、芒硝作为玻璃制造的部分原料，在原料熔融的过程中，会有碱金属及其他金属离子逸散到烟气之中。

烟气烟尘中Na2O、K2O含量高，而碱金属（Na、K）能够使催化剂失活。Na＋引起催化剂物理中毒的研究表明，烟气中的Na＋可与其他成分产生Na盐，Na盐沉积在催化剂的表面或堵塞催化剂的部分孔洞，阻碍了NO和NH3向催化剂内部的扩散，从而使催化剂钝化。此外，碱金属还会引起催化剂化学中毒，Na＋与催化剂表面的V－OH酸位点发生反应，生成V－ONa，使催化剂吸附NH3的能力下降，从而使参与NO还原反应的NH3的吸附量减少并降低了其参与SCR反应的活性［4，5］。

2 催化剂的选型与布置

2.1 催化剂的选型

目前用于SCR的催化剂主要有3种类型：蜂窝式、板式、波纹式。

蜂窝式催化剂采用二氧化钛作骨架材料，将V2O5和TiO2混合后挤压成型，经干燥、烧结后裁切装配而成，市场份额约60%～70%。蜂窝式催化剂具有模块化、相对质量比较轻长度易于控制、比表面积大、回收利用率高等优点。蜂窝式催化剂如图1所示。

板式催化剂采用金属板作为基材，浸渍催化剂后烧结成型，市场份额占20%～30%，具有对烟气高的高尘环境适应力强的优点，但比表面积小，相对压降大。

波纹式催化剂采用玻璃纤维板或陶瓷板作为基材，浸渍催化剂后烧结成型，市场份额占5%左右。波纹状催化剂的制作是采用玻璃纤维板或陶瓷板作为基材浸渍烧结成型。特点是比表面积较大，压降小。

板式、波纹式催化剂如图2所示。板式、波纹式和蜂窝式催化剂的性能比较见表1。

表1 板式与蜂窝式催化剂比较

从表1比较板式、蜂窝式和波纹式催化剂的性能，可以看出蜂窝状催化剂由于具有较大的比表面积，因而在同等工程设计条件下，需要的体积量较小，从而可以减小反应器尺寸，降低建设SCR脱硝装置的初期投资成本。因此，玻璃熔窑烟气脱硝，推荐使用蜂窝式催化剂。

2.2 SCR脱硝催化剂布置

玻璃熔窑脱硝初装一层催化剂还是两层催化剂或多层催化剂，取决于催化剂用量、催化剂长度、使用寿命管理、脱硝反应器横截面积、烟气流速、阻力等诸多因素，经过最优化设计确定。

火电锅炉脱硝大多采用2～3层以上布置，而大多数玻璃熔窑只需装一层催化剂，其原因在于：

相对于火电锅炉来说，大多数玻璃厂烟气量小，使用的催化剂量很小，故使用一层催化剂可以满足上述技术经济指标要求，且使用一层脱硝催化剂，反应器结构简单；催化剂的安装、维护更为方便有效；减少吹灰装置，降低投资、运行成本。多数火电锅炉烟气脱硝需要多层催化剂，是因为SCR反应器做单层设计横截面积需要很大，不能满足上述技术经济指标要求，因此设计二层或多层催化剂。

初装一层催化剂的优势还在于可以降低整个脱硝系统阻力，降低整体运行费用。

结合工程实例，一般建议反应器预留了第二层催化剂安装，在SCR设备运行初期，仅安装一层催化剂，在催化剂化学寿命后期，当出现现有催化剂活性降低，不能保证排放要求时，安装第二层催化剂，当第二层催化剂排放也不能保证排放要求时，更换第一层催化剂以保证排放符合要求。

初装一层催化剂在催化剂寿命管理上较为方便，更换催化剂也不会产生更多费用，其原因在于催化剂的订货是根据催化剂体积计算的，而催化剂在高度上可以任意定制。

3 结 论

由于玻璃熔窑烟气的特殊性，SCR脱硝催化剂的选型及布置方式需要符合其特点，不可完全火电厂脱硝。从经济、便捷、高效的角度出发，玻璃熔窑烟气脱硝初装一层蜂窝式催化剂且预留第二层催化剂安装的方式，在保证脱硝效率的同时，可最大限度地节约投资运行成本，减少系统阻力损失，提高催化剂使用效率，方便催化剂寿命管理。

［1］ 张 鹏，要 枪.用于悬着性催化还原法烟气脱销的催化剂［J］.煤炭转化，2005，24（9）：18－23.

［2］ 朱崇兵，全升保，仲兆平.蜂窝式SCR催化剂烟气脱硝实验研究［J］.热能动力工程，2009，24（5）：639－643.

［3］ 赵 毅，朱振峰，贺瑞华，等.V2O5－WO3/TiO2基SCR催化剂的研究进展［J］.材料导报，2009，23（1）：28－31.

［4］ 王 静，沈伯雄，刘 亭，等.钒钛基SCR催化剂中毒及再生研究进展［J］.环境科学与技术，2010，33（9）：97－102.

［5］ 孙克勤，钟 秦，于爱华.SCR催化剂的碱金属中毒研究［J］.中国环保产业，2007（7）：30－32.