宽温脱硝催化剂工业应用研究

彭以以,孙振动,梅博伦,于 毅*,徐 丽,刘国际

(1.河南康宁特环保科技股份有限公司,河南 新密 452370;2.郑州大学 化工学院,河南 郑州 450001)

火电厂煤燃烧会产生大量的氮氧化物(NOx),氮氧化物不仅危害人体健康,也是导致酸雨、光化学烟雾和雾霾的主要前驱体物。为了降低氮氧化物对环境的影响,燃煤电厂多采用以NH3选择性催化还原(SCR)技术为主的氮氧化物控制技术[1]。

NH3-SCR的工作温度窗口可分为低温、中温和高温,低温操作窗口对应为80～300 ℃[2]。目前,商用的WO3(MoO3)改性V2O5/TiO2SCR催化剂在300～400 ℃具有良好的SO2耐受性和较高的催化性能,但当机组低负荷运行时(烟气温度<300 ℃),催化剂活性下降,脱硝效率下降,氨逃逸率上升,生成的硫酸氢铵造成空预器堵塞,影响机组的安全稳定运行[3-4]。

为了避免低负荷下脱硝系统对机组的不利影响,发电企业多采取脱硝系统低负荷停止运行的策略。针对发电企业在低负荷退出运行脱硝系统的问题,使烟温满足SCR全负荷脱硝的常规措施主要是对锅炉汽轮机进行改造,包括省煤器水侧旁路改造,省煤器烟气侧旁路改造,省煤器分级改造,汽轮机高压缸抽汽回热等技术[5-8]。上述措施费用较高,工期长,对机组的热效率和稳定运行有一定的影响。

本研究致力于新型宽温NH3-SCR脱硝催化剂及其大批量制备工艺的开发,并进行低负荷烟温下的适用性研究,对于解决燃煤电厂全负荷脱硝具有重要意义。

1 实验部分

1.1 催化剂制备

称取五氧化二钒、三氧化钨、七钼酸氨、氧化铈、硝酸铁与载体TiO2,并加入纤维素为黏合剂,进行5 h的混炼过程,混炼后进行一次陈化,而后经挤出成型、一段干燥、二段干燥、煅烧、切割硬化处理、组装6个工艺流程得到成品催化剂,所制备SCR脱硝催化剂命名为：V-W-Mo-Ce-Fe/TiO2。

1.2 催化剂表征

测定几何特性单元体的几何尺寸、几何比表面积以及开孔率,采用康塔2000e型全自动气体吸附装置进行催化剂的比表面积、孔径和孔容的测试。

1.3 催化活性测试

采用固定床反应器进行活性测试,催化剂采用4层串联方式装填。

测试装置流程图见图1。

图1 测试装置流程图

本实验台由气体制备、配气混合、气体加热、反应器及切换阀组、控制和检测、尾气处理等单元组件组成,能够完整、准确地模拟催化剂在真实SCR脱硝设备中的烟气条件,即：空速、温度、NO、SO2、SO2、NH3、湿度、氧量等。

反应烟气组成见表1。

表1 反应烟气参数

注：Ugs,空塔速度,烟气流量与催化剂截面积之比;AV,面速度,烟气流量与催化剂总几何表面积(体积×比表面积)之比;LV,催化剂孔道内的烟气流速。

分别在脱硝烟温为373 ℃(工况1)、250 ℃(工况2)和225 ℃(工况3)条件下进行SCR活性测试,当烟气条件发生变化时,至少稳定1 h后进行采集数据。采用美国Thermo-42i型号烟气分析仪测定进出口NO浓度,烟气进入分析仪之前,经烟尘过滤和除湿处理,每次开始测定时,系统至少稳定30 min,以保证系统达到稳态。NO转化率计算如下。

(1)

式中：X为NO转化率,c(NOin)和c(NOout)分别为反应管入口及出口NO的浓度。

2 结果与讨论

2.1 催化剂表征

2.1.1几何特性

催化剂单元体的几何尺寸、几何比表面积以及开孔率等几何特性如表2所示。

表2 几何特性

2.1.2理化特性

催化剂微观比表面积检测结果见表3。

表3 微观比表面积检测结果

对新催化剂样品进行径向和轴向抗压强度检测,检测进行3次并取均值,结果见表4。

表4 抗压强度检测结果

由表4可知,成型催化剂径向抗压强度为0.68 MPa,轴向抗压强度达2.70 MPa,所制备催化剂具有良好的抗磨损性。

2.2 活性测试

2.2.1脱硝效率和氨逃逸

在设计条件下,经实验台进行活性测试,四层装填催化剂脱硝效率和氨逃逸检测结果如表5所示。

表5 脱硝效率与氨逃逸检测结果

由表5可知,所制备的V-W-Mo-Ce-Fe/TiO2脱硝催化剂在较宽温度区间(225～373 ℃)内均表现出较优秀的脱硝效率(92.8%)以及较低的氨逃逸率。

2.2.2SO2/SO3转化率

在设计脱硝烟温250 ℃条件(工况2)下,一层新催化剂的SO2/SO3转化率检测及计算结果见表6。

表6 SO2/SO3转化率

由表6可知,在设计烟温250 ℃条件下,一层新催化剂的SO2/SO3转化率仅为0.36%。

3 结论

通过机制研究,配方、生产工艺和材料开发,工业实验及应用,开发了适用于煤电和工业领域复杂烟气成分的新型宽温运行窗口V-W-Mo-Ce-Fe/TiO2脱硝催化剂,在低温烟气催化脱硝时仍然表现出高活性(NO转化率92.8%)、低SO2氧化率(1%),且具有抗磨损中毒能力强等优势。