催化劑作為SCR脫硝反應的核心,其質(zhì)量和性能直接關(guān)系到脫硝效率的高低,所以,在火電廠(chǎng)脫硝工程中, 除了反應器及煙道的設計不容忽視外,催化劑的參數設計同樣至關(guān)重要。
一般來(lái)說(shuō),脫硝催化劑都是為項目量身定制的,即依據項目煙氣成分、特性,效率以及客戶(hù)要求來(lái)定的。 催化劑的性能(包括活性、選擇性、穩定性和再生性)無(wú)法直接量化,而是綜合體現在一些參數上,主要有:活性溫度、幾何特性參數、機械強度參數、化學(xué)成分含量、工藝性能指標等。
1活性溫度
催化劑的活性溫度范圍是最重要的指標。反應溫度不僅決定反應物的反應速度,而且決定催化劑的反應 活性。如V2O5-WO3/TiO2催化劑,反應溫度大多設在280~420℃之間。如果溫度過(guò)低,反應速度慢,甚至生 成不利于NOx降解的副反應;如溫度過(guò)高,則會(huì )出現催化劑活性微晶高溫燒結的現象。
2幾何特性參數
2.1 節距/間距
這是催化劑的一個(gè)重要指標,通常以P表示。其大小直接影響到催化反應的壓降和反應停留時(shí)間,同時(shí)還 會(huì )影響催化劑孔道是否會(huì )發(fā)生堵塞。對蜂窩式催化劑,如蜂窩孔寬度為(孔徑)為d,催化劑內壁壁厚為t, 則: P=d+t
對平板和波紋式催化劑,如板與板之間寬為d,板的厚度為t,則: P=d+t
由于SCR裝置一般安裝在空預器之前,飛灰濃度可大于15g/m3(干,標態(tài)),如果催化劑間隙過(guò)小,就會(huì )造成飛灰堵塞,從而阻止煙氣與催化劑接觸,效率下降,磨損加重。一般情況下,蜂窩式催化劑堵灰要比平板式嚴重些,需要適當地加大孔徑。燃煤電站SCR脫硝工程中的蜂窩式催化劑節距一般在6.3~9.2mm之間,同等 條件下,板式催化劑間距可以比蜂窩式稍小些。
2.2 比表面積
比表面積是指單位質(zhì)量催化劑所暴露的總表面積,或用單位體積催化劑所擁有的表面積來(lái)表示。由于脫硝反應是一個(gè)多相催化反應,且發(fā)生在固體催化劑的表面,所以催化劑表面積的大小直接影響到催化活性 的高低,將催化劑制成高度分散的多孔顆粒為反應提供了巨大的表面積。蜂窩式催化劑的比表面積比平 板式的要大得多,前者一般在427~860m2/m3,后者約為其一半。
2.3 孔隙率和比孔體積
孔隙率是催化劑中孔隙體積與整個(gè)顆粒體積之比??紫堵适谴呋瘎┙Y構最直接的一個(gè)量化指標,決定了孔徑和比表面積的大小。一般催化劑的活性隨孔隙率的增大而提高,但機械強度會(huì )隨之下降。比孔體積 則指單位質(zhì)量催化劑的孔隙體積。
2.4 平均孔徑和孔徑分布
通常所說(shuō)的孔徑是由實(shí)驗室測得的比孔體積與比表面相比得到的平均孔徑。催化劑中的孔徑分布很重要,反應物在微孔中擴散時(shí),如果各處孔徑分布不同,會(huì )表現出差異很大的活性,只有大部分孔徑接近平均孔 徑時(shí),效果最佳。
3 機械強度參數
主要體現了催化劑抵抗氣流產(chǎn)生的沖擊力、摩擦力、耐受上層催化劑的負荷作用、溫度變化作用、及相變應力作用的能力。機械強度參數共有3個(gè)指標,即軸向機械強度、橫向機械強度和磨耗率。前2個(gè)分別 是指單位面積催化劑在軸向和橫向可承受的重量。磨耗率則是用一定的試驗儀器和方法測定得到的單位 質(zhì)量催化劑在特定條件小的損耗值,用于比較不同催化劑的抗磨損能力。
4 化學(xué)成分含量
即指活性組分及載體,如V2O5-WO3/TiO2催化劑中各成分的質(zhì)量百分數。這其中關(guān)鍵為起催化作用的量, 助催化與載體的配比量也同樣重要。根據不同用戶(hù)的情況,含量會(huì )有所不同。一般情況下,V2O5占1% ~5%,WO3占5%~10%,TiO2占其余絕大部分比例?! ?/p>
5 工藝性能指標
包括體現催化劑活性的脫硝效率、SO2/SO3轉化率、NH3逃逸率以及壓降等綜合性能指標。這些指標一般在催化劑成品完成后需要在實(shí)驗室實(shí)際煙氣工況下進(jìn)行檢測,以確認各指標符合要求。
5.1 脫硝效率
指進(jìn)入反應器前、后煙氣中NOx的質(zhì)量濃度差除以反應器進(jìn)口前的NOx濃度(濃度均換算到同一氧量下), 直接反映了催化劑對NOx的脫除效率。一般情況下,脫硝工程會(huì )設計初期脫硝率和遠期脫硝率,通過(guò)初置 和預留若干催化劑層,今后逐層添加來(lái)滿(mǎn)足未來(lái)可能日益嚴格的排放要求。
5.2 SO2/SO3
指煙氣中SO2轉化成SO3的比例。SO2/SO3轉化率越高,催化劑活性越好,所需要催化劑量越少,但轉化率過(guò)高會(huì )導致空預器堵灰及后續設備腐蝕,而且會(huì )造成催化劑中毒。因此,一般要求SO2/SO3轉化率小于1%。在釩鈦催化劑中加入鎢、鉬等成分,可有效地抑制SO2轉化成SO3。
5.3 NH3逃逸率
催化劑反應器出口煙氣中NH3的體積分數,它反映了未參加反應的NH3。如果該值高,一是會(huì )增加生產(chǎn)成本 ,造成NH3的二次污染;二是NH3與煙氣中的SO3反應生成NH4HSO4和(NH4)2SO4等物質(zhì),會(huì )腐蝕下游設備,并 增大系統阻力。
5.4 壓降
煙氣經(jīng)過(guò)催化劑層后的壓力損失。整個(gè)脫硝系統的壓降是由催化劑壓降以及反應器及煙道等壓降組成, 這個(gè)壓降應該越小越好,否則會(huì )直接影響鍋爐主機和引風(fēng)機的安全運行。在催化劑設計中合理選擇催化 劑孔徑和結構形式,是降低催化劑本身壓降的重要手段。
5.5 其他
除了以上物理、化學(xué)和工藝性能指標外,各特定SCR脫硝項目工程所采用的催化劑還有體積、尺寸等合同指標,在催化劑評標、驗收中也作為很重要的參數需要予以審核。