选择性催化还原SCR法烟气脱硝技术（三）

江旭昌

天津市博纳建材高科技研究所，天津 300400



选择性催化还原SCR法烟气脱硝技术（三）

江旭昌

天津市博纳建材高科技研究所，天津 300400

（上接2016年2期）

4.1.2催化塔的安装位置

催化塔是SCR法脱硝系统中一个最大的设备或装置，由于其内部需要安装多个床层的催化剂，所以一般都很高。如果自身独立布置，考虑风、雪等载荷的作用，必然需要很强固的钢结构支撑；另外，催化塔所要脱硝的烟气都由窑尾预热器C1筒排出。因此，催化塔一般都靠近窑尾塔架安装。这样，不仅可以节省钢结构的费用，而且还可缩短烟气管道，节省管道的建造费用，同时，为操作维护创造方便条件（窑尾塔架的电梯可以共用）。

4.2催化剂

催化剂是烟气SCR法脱硝系统中核心之核心元件，其性能的优劣决定着催化塔的性能，催化塔的性能又决定着整个脱硝系统的性能。因为催化塔这个容器就是为置放催化剂而设置的，所以有人将催化塔称为“SCR装置”。催化剂的性能概括说就是两个：一个是脱硝效率；另一个是对烟气温度的适应性。严格地说，SCR法与SNCR法脱硝系统的重要区别，就在于它在较低的烟气温度条件下就能达到比SNCR法更高的脱硝效率。这一特性，对烟气脱硝要求严格的场合，具有特殊的重大意义。尤其对水泥窑炉所排放烟气的脱硝就更为明显，如果适用于100～120 ℃的低温催化剂研发成功，就可实现低温低尘的布置方式，其建设投资就可大大减少。所以说，低温催化剂的研发便成为国内外最重要的攻关课题之一。

4.2.1催化剂的构成及种类

催化剂的构成是指催化剂单元物质的材料、形状和尺寸等，其种类是指适用的温度范围和外观的形貌等。

4.2.1.1催化剂的构成

所有SCR法脱硝所用的催化剂都由两部分构成：一是反应活性物质；二是反应活性物质载体。反应活性物质以不同的方法附着在载体表面，与载体一起形成一块完整不同截面形状的催化剂单元，既便于制造、搬运又可灵活码装成催化剂模块，在使用时还便于更换。

（1）催化剂的材料。催化剂活性物质的材料主要是五氧化二钒（V2O5），约占10%～20%。此外还有少量的三氧化钼（MoO3）或者三氧化钨（WO3）等作为辅助活性材料，约占3%～7%。催化剂载体的主要材料是二氧化钛（TiO2），约占80%～90%。催化剂的催化活性是衡量催化剂性能的重要指标，主要与反应温度和V2O5的含量有关，含量越多，反应能力越强。催化剂的活性就是指其催化的反应能力，反应能力越强，则系统的脱硝效率就越高。目前，工业上较广泛应用的是称为“锐钛型催化剂”，即以TiO2为载体也就是催化剂的“骨架”、V2O5为主要活性物质并加入少量的WO3和MoO3等金属氧化物作为辅助活性物质制成的各种催化剂。

（2）催化剂横截面的结构参数。一个催化剂单元就是一块催化剂，一块催化剂的横截面有无数个孔道。当含氮氧化物（NOx）的烟气经过这些孔道时，就会与催化剂的活性物质进行催化反应，达到脱硝的目的。这些孔道的形状目前基本上有正方形的（即称为蜂窝式的催化剂）、平行矩形的（称为平板式催化剂）和有波纹形的（称为波纹板式催化剂），如图22所示。

为了描述这些催化剂孔道结构的技术特性，采用以下三个参数，即节距或称间距p、烟气流通孔道的大小或板间距d和其内壁厚度t，三者之间的关系为p＝d＋t。有人将催化剂的端面孔道称为“开口”，实际上不仅是开口，整个纵向孔道形状和尺寸与其开口都是相同的。这些形状和尺寸对催化剂的性能都有影响，特别是对烟气含尘浓度具有重要影响。

图22　催化剂的结构参数示意图

4.2.1.2催化剂的种类

催化剂的种类，按适用温度可分为三类，按流道孔口形状也可分为三类，按其单元横截面形状同样还可分为三类。

（1）按适用温度分类。催化剂的种类可以按适用温度分成高温催化剂、中温催化剂和低温催化剂三类，详见表4。

表4　按适应温度分的催化剂种类

水泥回转窑烧成系统窑尾排出的烟气，不仅含尘浓度很高，约为80～100 g/Nm3，而且碱金属含量也较高，很容易使催化剂堵塞和中毒。如果将SCR脱硝装置安装在窑尾收尘器之后，废气含尘高的问题解决了，可温度又不适应。因为一般催化剂的适应使用温度都在300～400 ℃之间，可是窑尾收尘器后的烟气温度仅在100～150 ℃范围。为此还必须对此处的烟气进行加热升温或称二次加热，不仅大大增加了费用，而且也浪费了能源，与当前国家强调的节能减排政策相悖。另外，其他工业部门所用的回转窑、工业锅炉、冶金烧结炉和石化裂解炉等排出的烟气温度虽然不尽相同，但都比水泥窑排出的废气温度低。为了增强SCR法脱硝的适应范围，我国北京工业大学研发出了适应温度在160～400 ℃范围的SCR催化剂，具有优异的低温催化活性，见图23所示。我国南京工业大学材料化学工程国家重点实验室研发出一种“新型无毒脱硝催化剂”，具有无毒、抗冲击、耐高碱和抗粉尘冲刷等特性，有效工作温度在120～200 ℃范围之内，为在水泥窑尾除尘器后采用SCR脱硝技术创造了更有利的条件。这种新开发的低温催化剂，现在江苏溧阳水泥公司5 000 t/d熟料水泥生产线窑尾收尘器后进行脱硝试用，一旦成功，不仅为我国水泥工业应用SCR脱硝技术开辟了一条新的途径，而且为SCR法脱硝技术在水泥工业的应用提供了经验，可以适应更低烟气温度条件下更高效烟气脱硝，使水泥窑炉排放烟气中的NOx浓度达到100～200 mg/Nm3成为可能。

图23　低温SCR脱硝催化剂脱硝效率η与温度t的关系

（2）按流道孔口形状分类。催化剂的流道孔口形状就是横截面的外观形貌，实际上就是催化剂的载体结构或称催化剂“骨架”，有人称为“外形”。为了制造、运输和安装方便，催化剂都制成一块一块的，称为“催化剂单元”。催化剂单元端面孔口主要有蜂窝式、平板式和波纹板式三种，其中蜂窝式的催化剂应用最多，几乎占了全球一半以上的市场份额。催化剂是根据催化剂载体开口结构的形貌或者形状来命名的，如催化剂载体为蜂窝状的，就将这种催化剂称为“蜂窝式催化剂”；催化剂单元载体开口形状为窄矩形的，就将这种催化剂称为“平板式催化剂”；催化剂单元流道断面形状为波纹形的，就将这种催化剂称为“波纹板式催化剂”。

蜂窝式催化剂一般以高通透性的陶瓷作为基材，以TiO2作为载体采取整体挤压成型，如图24所示。这种催化剂虽然抗飞灰磨损和抗堵塞能力较好，但是由于单位体积的有效面积或者说比表面积大，所需的体积量较小或者说用量少，因此在同样脱硝效率的情况下可以减小催化塔的尺寸，能够降低建设费用，因而在三种催化剂中应用最多。

图24　蜂窝式催化剂单元照片

最近奥地利发明了一种蓄热体催化剂，可以利用陶瓷作为蓄热体来储存一部分烟气中的热量，利用这部分热量来加热废气以达到SCR反应所需要的最佳温度窗。应用于RTO-SCR装置可以同时除去烟气中的一氧化碳、有机物和氮氧化物NOx。这种催化剂也制成蜂窝式的结构，如图25所示。

图25　CERAM公司蜂窝式蓄热体催化剂

平板式催化剂以不锈钢板网作为基材骨架，采取双侧挤压的方式将活性材料与金属板结合在一起成型，如图26所示。从外观看与通常的蜂窝式催化剂没有区别，只是载体的材料不同而已。这种催化剂开孔率较高，一般可达80%～90%，所以阻力小、防堵灰能力也较强，适合使用在灰尘较高的环境。另外，抗腐蚀性能好，不易被粉尘堵塞或污染。但是比表面积小，约在280～350 m2/m3，要达到相同的脱硝效率就需增大体积，因此使催化塔增大。

图26　平板式催化剂形貌

波纹板式催化剂也称“波纹式催化剂”，以成形的玻璃纤维或陶瓷纤维加固的二氧化钛作为载体（或称“骨架基板”），非常坚硬，放入催化剂活性液中浸泡而制成，形状呈波纹形貌，故称“波纹板式催化剂”，见图27。这种催化剂的孔径相对较小，单位体积的比表面积最高。由于壁厚相对较小，所以单位体积的重量小于前两种催化剂，更方便于运输和安装时的吊装。在保持脱硝效率相同的情况下，这种催化剂所需的体积最小，比重也小，因此催化塔的体积和其支承负荷也相对减小，造价低。由于孔径小，一般适用于粉尘较低的烟气环境。但因为孔隙大小和分布多样，能够较好地抵抗催化剂中毒等特点，所以也有应用。

图27　波纹板式催化剂

以上三种催化剂的形貌不同，制成工艺不一，性能也有差别，但就其化学特性而言是基本接近的。但形状不同，物理特性存在较大差异。为了加强不同类型催化剂的互换性及装卸吊装的灵活性，一般均将催化剂组装成标准化尺寸，即每个模块截面为1.9 m×0.96 m。为清晰比较，现将以上三种催化剂的主要特性归纳在表5中。

表5　三种催化剂的比较

（3）按催化剂单元横截面形状分类。按催化剂单元横截面形状现有正方形的，有正六边形的，还有汽车所用的圆形催化剂，如图28所示。其中以正方形催化剂使用最多。如果催化剂单元横截面为正方形，其内的载体孔道形状也是正方形，因孔道密布，形如蜂巢，所以就称为“方形蜂窝式催化剂”。如果其内的孔道形状为窄矩形结构，就称其为“方形平板式催化剂”，其余依次类推。

图28　蜂窝式催化剂单元的横截面形状

（未完待续）

TQ172.622.4

B

1008-0473(2016)03-0007-04DOI编码：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.03.002