波纹板式低温脱硝SCR催化剂在焦化厂的应用

王健，佘启明

（黄山天之都环境科技发展有限公司，黄山 245061）

1 前言

化石燃料排放的氮氧化物被认为是空气污染的主要组成部分，对人类的健康造成了影响。因此，氮氧化物排放在世界范围内受到越来越严格的监管和控制[1]。除了液化天然气外，大多数化石燃料都含有硫，在燃烧过程中硫会转化为硫氧化物（SOx），存在于烟气中的SOx和粉尘常导致选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂失活和堵塞[2]。在去除氮氧化物（NOx）的技术中，以NH3或尿素为还原剂的SCR 是众所周知的、经过验证的高效技术。

以焦化厂为例，为解决焦炉烟气氮氧化物含量较高等问题，在役焦炉装置必须开发脱硝技术，并安装在除尘装置和烟气脱硫装置后部，从而使烟气达到排放标准。然而，由于废气温度较低，在烟气脱硫装置后部安装催化剂需要大量额外的燃料，才能达到现有商用SCR 催化剂的活性温度，经济性欠佳。因此，需要开发低温、效率优异的SCR 催化剂[3]。市场上NH3-SCR 催化剂主要有蜂窝式、板式和波纹板式三种。其中，波纹板催化剂相较于其他两类催化剂来说，具有比表面积大、重量轻、脱硝效率高的特点[4]。本文结合波纹板式脱硝催化剂在国内某焦化厂的应用状况，分析了波纹板式脱硝催化剂对焦化厂排放的低温、高粉尘和高二氧化硫的焦炉烟气的适应性。

2 波纹板式脱硝催化剂

2.1 制备工艺流程

波纹板式脱硝催化剂制备工艺流程如图1 所示，以高强度耐高温的玻璃纤维薄毡为基材，瓦楞成型组装为高比表面积、质量轻、体积小的波纹板胚体，涂覆xA 分子筛或蒙脱石涂层形成波纹板载体，经阴离子表面修饰改性后再通过浸渍法制备得到波纹式低温SCR 脱硝催化剂成品，比表面积达到800m2/m3，较传统蜂窝式催化剂比表面积增加20%，每立方米重量比传统蜂窝式催化剂低50%。由于其独特的三态孔结构，当烟气流经三态孔催化剂表面时，烟气及所携带的反应物NOx等迅速进入大微孔、中微孔、小微孔中，使得硫酸铵盐不容易聚集，其抗SO2和抗水中毒能力也随之加强，在150℃—420℃具有脱硝效率高、抗硫抗水性能高、比表面积大、质量轻、体积小等优点，可满足焦炉厂焦炉烟气脱硝使用要求。

图1 波纹板式低温SCR 脱硝催化剂制备工艺流程

2.2 产品特点

波纹板式脱硝催化剂是多相催化剂，其以高强度玻璃纤维整体压延成型，涂覆Mo-V-Ti 类活性物质，结构相对坚硬。具有如下特点：

（1）波纹板载体抗热冲击力强

波纹板载体的基材玻璃纤维具有良好的抗热冲击性能，与负载的Mo-V-Ti 类催化剂粉末热膨胀性能近似，负压浸渍成型后的波纹板载体表面具有很好的黏附效果，可以抵抗120℃/min 的温度变化，而且不易脱落。蜂窝式和板式脱硝催化剂的抗热冲击性能不如波纹板式脱硝催化剂。

（2）阴离子修饰技术增加表面活性位和活性组分分散度

催化剂中添加助剂可以调变催化剂的氧化还原能力及酸碱性等性质，而目前对助剂的研究多集中于添加阳离子助剂，对于阴离子调变的催化剂则鲜少涉及。波纹板式脱硝催化剂可采用阴离子（F-、Cl-、Br-、SO42-、CO32-、Ac-、NO3-）修饰xA 分子筛涂层，将波纹板式分子筛胚体浸渍在含有不同阴离子的铵盐溶液中，测试不同阴离子对波纹板式分子筛胚体表面的修饰作用，比较不同阴离子对分子筛表面的活性和分散度的影响，优选工艺参数，工艺流程如图2 所示。修饰后的分子筛表面呈弱碱性，更有利于氮氧化物的吸附和反应。

图2 阴离子修饰工艺流程示意图

（3）低温环境下催化活性好

目前商用SCR 催化剂的活性温度为280℃—400℃，低温状态下催化剂活性会急剧下降。焦炉厂排放的焦炉烟气温度达不到280℃，为此在280℃以下具有稳定活性的超低温脱硝催化剂极具优势[5]。波纹板式脱硝催化剂采用阴离子修饰后的分子筛涂覆的波纹板为载体，通过真空浸渍法制备了Mo-V 基分子筛NH3-SCR 催化剂。阴离子修饰技术制备的载体在浸渍后表现出优越的超低温催化性能，在烟气温度为150℃的条件下，脱硝效率仍可达90%，而同类型商用脱硝催化剂在烟气温度为150℃时基本没有催化效果。

波纹板式Mo-V 基分子筛催化剂在150℃时即能达到反应所需的起活温度，而且在反应温度为150℃—420℃的条件下可保持高催化活性，其超宽的催化活性温度有效保证了焦化厂焦炉烟气中氮氧化物的去除效率。波纹板式脱硝催化剂在150℃时可以达到接近90%的脱硝效率，使脱硝催化剂能达到更广泛的使用条件。同等条件下的催化剂用量是高温催化剂用量的50%，这也使得反应器整体体积减小，散热面积减小，热损小，系统结构集成度高。在排放达标的同时，能耗比活性温度范围为280℃—400℃的商用SCR 催化剂降低约40%，相应地减少了燃料消耗和碳排放，符合我国节能减排的环保要求。

3 波纹板式低温脱硝催化剂在焦炉厂的应用案例

以某焦化厂年产120 万t 焦化（2×60 孔、5.5m）捣固焦炉为例，该项目拟建焦炉煤气综合利用生产1亿m3LNG（液化天然气）项目，占地42 万m2。该焦化厂的焦炉烟气脱硝系统以液氨为还原剂，烟气总量约为30 万Nm3/h，入口灰尘浓度＜50g/Nm3，入口氮氧化物浓度＜1000mg/Nm3，SO2浓度＜500mg/Nm3[6]。经焦炉厂地下烟道排放的焦炉烟气通过除尘装置除尘后，进入脱硫剂舱室完成SO2脱除，然后与来自氨水喷淋系统提供的氨气混合，进入波纹板式SCR 脱硝反应装置进行脱硝，完成脱硫脱硝处理后的烟气通过余热锅炉回收热量，释放余热后的净烟气通过引风机升压后排放。

该项目自投产以来，波纹板式SCR 脱硝系统一直稳定运行。当焦炉烟气量达20—27 万m3时，蒸汽外送量为8—11t/h。进口焦炉烟气NOx含量为650—950mg/m3时，出口烟气NOx含量为40—80mg/m3；焦炉烟气进口NOx含量超1000mg/m3时，出口烟气NOx含量不超过120mg/m3；通过调节氨水喷洒量还可使出口烟气NOx含量达40mg/m3以下。进口焦炉烟气颗粒物含量为0—100mg/m3，出口烟气颗粒物含量稳定在1.5mg/m3以下；进口焦炉烟气SO2含量为90—130mg/m3时，出口烟气SO2含量为0.3—5mg/m3。处理后的焦炉烟气各项数据基本满足氮氧化物≤100mg/Nm3、SO2≤30mg/Nm3、颗粒物≤10mg/Nm3的排放要求以及焦炉厂连续生产的排放需求，运行状态良好。

4 结语

本文介绍了波纹板式脱硝催化剂的基本结构、制备工艺流程和性能特征。结合该波纹板式脱硝催化剂在国内某焦炉厂对焦炉烟气进行脱硝的应用现状，发现焦炉烟气经波纹板式脱硝装置治理后的净烟气中各污染物组分浓度可稳定低于排放限值的要求，而且氨逃逸量低于3ppm。在150℃可以达到接近90%的脱硝效率，同等条件下的催化剂用量是高温催化剂用量的50%，这也使得脱硝系统装置整体体积减小，散热面积减小，热损小，系统结构集成度高。在排放达标的同时能耗比活性温度为300℃—400℃的商用SCR 催化剂降低约40%，相应地减少了燃料消耗和碳排放，符合我国节能减排的环保要求，对焦炉烟气深度治理具有良好的推广价值。