玻璃熔窯SCR脫硝催化劑的選型與布置

張志剛，史 薇

（江蘇中建材環(huán)保研究院有限公司，鹽城 224051）

隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格和減排工作的大力開展，國家對工業(yè)窯爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)同樣要求越來越嚴(yán)?！镀桨宀ＡЧI(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 26453—2011）中，對氮氧化物的排放濃度作了限制，即NOx最高排放濃度為700mg/m3（標(biāo)干，8%含氧量）。因此作為一種高效脫硝工藝的SCR法（選擇性催化還原）在玻璃熔窯煙氣脫硝方面，被廣泛采用。

在選擇性催化還原法（SCR）中，催化劑的選型和布置是至關(guān)重要的，直接影響到脫硝效率。由于我國玻璃行業(yè)脫硝起步較晚，相關(guān)的工程實例較少，所以在催化劑的選型及布置方面多參考火電廠脫硝技術(shù)相關(guān)經(jīng)驗。但相對于火電鍋爐來說，由于多數(shù)玻璃廠煙氣量較小、且含有堿金屬等特性，致使火電行業(yè)脫硝催化劑的選型及布置對玻璃行業(yè)并不完全適用。

1 SCR催化劑

選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)是利用NH3和NOx在催化劑作用下使NOx還原的技術(shù)。SCR系統(tǒng)中的重要組成部分是催化劑，催化劑的作用是降低NOx分解反應(yīng)的活化能，使其反應(yīng)溫度降低至適宜的溫度區(qū)間。

1.1 SCR催化劑成分

常用的金屬基催化劑主要含有V2O5（WO3）、Fe2O3、CuO、MoO3等金屬氧化物，并以TiO2、Al2O3、SiO2和活性炭等作為載體［1］。玻璃熔窯脫硝一般采用鈦基釩類催化劑，如V2O5－WO3/TiO2。其中V2O5為主催化劑，它的活性好、表面呈酸性，容易將堿性的NH3捕捉到催化劑表面，其特定的氧化優(yōu)勢有利于將氨和NOx轉(zhuǎn)化為氮氣和水，并且工作溫度相對較低，能在富氧環(huán)境下工作，抗中毒能力較強(qiáng)，可負(fù)載于Al2O3、SiO2等氧化物中；WO3為助催化劑，可改善催化劑的活性、選擇性，提高催化劑的酸度和熱穩(wěn)定性；TiO2作為催化劑載體，其本身比表面積較高，穩(wěn)定性好，且可與V2O5和WO3發(fā)生電子協(xié)同效應(yīng)，提高催化劑的脫硝性能［2，3］。

1.2 玻璃熔窯煙氣特性對催化劑影響

純堿、芒硝作為玻璃制造的部分原料，在原料熔融的過程中，會有堿金屬及其他金屬離子逸散到煙氣之中。

煙氣煙塵中Na2O、K2O含量高，而堿金屬（Na、K）能夠使催化劑失活。Na＋引起催化劑物理中毒的研究表明，煙氣中的Na＋可與其他成分產(chǎn)生Na鹽，Na鹽沉積在催化劑的表面或堵塞催化劑的部分孔洞，阻礙了NO和NH3向催化劑內(nèi)部的擴(kuò)散，從而使催化劑鈍化。此外，堿金屬還會引起催化劑化學(xué)中毒，Na＋與催化劑表面的V－OH酸位點發(fā)生反應(yīng)，生成V－ONa，使催化劑吸附NH3的能力下降，從而使參與NO還原反應(yīng)的NH3的吸附量減少并降低了其參與SCR反應(yīng)的活性［4，5］。

2 催化劑的選型與布置

2.1 催化劑的選型

目前用于SCR的催化劑主要有3種類型：蜂窩式、板式、波紋式。

蜂窩式催化劑采用二氧化鈦作骨架材料，將V2O5和TiO2混合后擠壓成型，經(jīng)干燥、燒結(jié)后裁切裝配而成，市場份額約60%～70%。蜂窩式催化劑具有模塊化、相對質(zhì)量比較輕長度易于控制、比表面積大、回收利用率高等優(yōu)點。蜂窩式催化劑如圖1所示。

板式催化劑采用金屬板作為基材，浸漬催化劑后燒結(jié)成型，市場份額占20%～30%，具有對煙氣高的高塵環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)的優(yōu)點，但比表面積小，相對壓降大。

波紋式催化劑采用玻璃纖維板或陶瓷板作為基材，浸漬催化劑后燒結(jié)成型，市場份額占5%左右。波紋狀催化劑的制作是采用玻璃纖維板或陶瓷板作為基材浸漬燒結(jié)成型。特點是比表面積較大，壓降小。

板式、波紋式催化劑如圖2所示。板式、波紋式和蜂窩式催化劑的性能比較見表1。

表1 板式與蜂窩式催化劑比較

從表1比較板式、蜂窩式和波紋式催化劑的性能，可以看出蜂窩狀催化劑由于具有較大的比表面積，因而在同等工程設(shè)計條件下，需要的體積量較小，從而可以減小反應(yīng)器尺寸，降低建設(shè)SCR脫硝裝置的初期投資成本。因此，玻璃熔窯煙氣脫硝，推薦使用蜂窩式催化劑。

2.2 SCR脫硝催化劑布置

玻璃熔窯脫硝初裝一層催化劑還是兩層催化劑或多層催化劑，取決于催化劑用量、催化劑長度、使用壽命管理、脫硝反應(yīng)器橫截面積、煙氣流速、阻力等諸多因素，經(jīng)過最優(yōu)化設(shè)計確定。

火電鍋爐脫硝大多采用2～3層以上布置，而大多數(shù)玻璃熔窯只需裝一層催化劑，其原因在于：

相對于火電鍋爐來說，大多數(shù)玻璃廠煙氣量小，使用的催化劑量很小，故使用一層催化劑可以滿足上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，且使用一層脫硝催化劑，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單；催化劑的安裝、維護(hù)更為方便有效；減少吹灰裝置，降低投資、運行成本。多數(shù)火電鍋爐煙氣脫硝需要多層催化劑，是因為SCR反應(yīng)器做單層設(shè)計橫截面積需要很大，不能滿足上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)要求，因此設(shè)計二層或多層催化劑。

初裝一層催化劑的優(yōu)勢還在于可以降低整個脫硝系統(tǒng)阻力，降低整體運行費用。

結(jié)合工程實例，一般建議反應(yīng)器預(yù)留了第二層催化劑安裝，在SCR設(shè)備運行初期，僅安裝一層催化劑，在催化劑化學(xué)壽命后期，當(dāng)出現(xiàn)現(xiàn)有催化劑活性降低，不能保證排放要求時，安裝第二層催化劑，當(dāng)?shù)诙哟呋瘎┡欧乓膊荒鼙ＷC排放要求時，更換第一層催化劑以保證排放符合要求。

初裝一層催化劑在催化劑壽命管理上較為方便，更換催化劑也不會產(chǎn)生更多費用，其原因在于催化劑的訂貨是根據(jù)催化劑體積計算的，而催化劑在高度上可以任意定制。

3 結(jié) 論

由于玻璃熔窯煙氣的特殊性，SCR脫硝催化劑的選型及布置方式需要符合其特點，不可完全火電廠脫硝。從經(jīng)濟(jì)、便捷、高效的角度出發(fā)，玻璃熔窯煙氣脫硝初裝一層蜂窩式催化劑且預(yù)留第二層催化劑安裝的方式，在保證脫硝效率的同時，可最大限度地節(jié)約投資運行成本，減少系統(tǒng)阻力損失，提高催化劑使用效率，方便催化劑壽命管理。

［1］ 張 鵬，要 槍.用于懸著性催化還原法煙氣脫銷的催化劑［J］.煤炭轉(zhuǎn)化，2005，24（9）：18－23.

［2］ 朱崇兵，全升保，仲兆平.蜂窩式SCR催化劑煙氣脫硝實驗研究［J］.熱能動力工程，2009，24（5）：639－643.

［3］ 趙 毅，朱振峰，賀瑞華，等.V2O5－WO3/TiO2基SCR催化劑的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報，2009，23（1）：28－31.

［4］ 王 靜，沈伯雄，劉 亭，等.釩鈦基SCR催化劑中毒及再生研究進(jìn)展［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（9）：97－102.

［5］ 孫克勤，鐘 秦，于愛華.SCR催化劑的堿金屬中毒研究［J］.中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007（7）：30－32.