SCR蜂窝脱硝催化剂耐磨性研究？
电厂锅炉系统排放的氮氧化合物是造成酸雨的主要大气污染物之一。从典型的发电站排放的氮氧化合物由大约95%的NO和大约5%的NO2组成。低氮氧化合物燃烧器、烟气再循环、分级燃烧或注蒸汽等技术[1]可以降低氮氧化合物排放浓度，但这些技术成本高、脱硝效率低、对锅炉有负面影响，难以大规模推广[2]。
随着我国《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)的正式颁布，我国对电厂氮氧化合物排放做出了更严格的规定。因此，缺货效率高、价格相对低廉、对锅炉适应性好的SCR(选择性催化A2裂解还原)技术在国内得到了应用，并呈上升趋势。
催化剂是SCR系统中最重要的部分。目前市场上的SCR催化剂有三种:蜂窝状催化剂、板式催化剂和波纹板式催化剂，其中蜂窝状催化剂的市场份额最高，约为60%~70%[3]。蜂窝催化剂的性能直接影响SCR系统的脱销效率，其采购、更换和维护费用是SCR系统运行费用的主要部分。
影响蜂窝催化剂活性的因素很多，煤烟颗粒对催化剂的磨损是其失活的主要原因之一。由于我国煤炭的特性和成本，电厂往往燃烧高钙煤和劣质煤。这些煤燃烧产生的烟气颗粒大、硬度高、成分复杂，进一步加剧了催化剂的磨损，缩短了催化剂更换周期，增加了维护成本。
因此，研究蜂窝催化剂的耐磨性能具有重要的理论和实际意义。本文对蜂窝状SCR催化剂的磨损性能进行了研究，系统地探讨了磨料浓度、空速(以催化剂体积计)、接触时间和蜂窝状催化剂的孔数对催化剂磨损性能的影响，为燃煤电厂根据不同的烟气条件选择合适的催化剂提供了理论依据。
1试验材料和方法
1.1试验装置和材料
抗磨性能模拟试验装置由江苏龙源催化剂有限公司制造；SCR蜂窝催化剂采用江苏龙源催化剂有限公司生产的三种催化剂；磨料为江苏宜兴出产的精制应时矿；端部硬化浸渍液由江苏龙源催化剂有限公司开发；自动电子天平的制造商是梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司
1.2测试方法
取一部分催化剂作为样品，在105e烘箱中干燥1h，在干燥盘中冷却24h。含有磨料的空气以一定的流速通过样品。一定时间后，通过测量测试块和收集的磨料的重量损失，确定测试块和参考块的磨损强度和净重量损失速率。
磨损强度=(1-w2/w 1x w3/w4)/w5x 100。
净失重率=(w 1-w2+w4-w3)/w 1x 100。
其中:W1为试验前试块的重量，g；W2是试块的测试重量，g；W3为试验前参考块的重量，g；W4是试验后基准试块的重量，g；W5是收集到的石英砂的重量，kg。
2结果和讨论
2.1SCR蜂窝催化剂磨损机理
对比磨损的蜂窝催化剂，可以观察到催化剂的末端磨损。因为参考催化剂块没有暴露于磨料，所以没有明显的磨损现象。试块端部磨损后，端面一般为弧形，向内凹陷，每个通孔的内壁也为弧形。
这可能是因为管道和通孔中的风速分布遵循流体动力学。由于滞止边界层的存在，靠近管道壁和催化剂内壁的风速较小，所以其中所含磨料的动能较小，靠近管道壁的催化剂相对较小。而管道和通孔中部的风雷诺系数大且风速高，磨料的动能高，加剧了催化剂中部的磨损，使磨损后的催化剂横截面呈弧形。
此外，磨损后的催化剂内壁变得更加光滑，厚度减小，这可能是/马格努斯效应0造成的(见图1和2)。
图1马格努斯效应示意图
图2煤烟颗粒对催化剂壁面磨损的示意图
从图1和图2可以看出，烟粒被烟气夹带着向前运动，同时，也在旋转。由于滞止边界层的存在，催化剂壁附近风速较小，而通孔中部风速较大，使得颗粒的旋转角度矢量与自身的飞行速度矢量不重合。根据伯恩哈德原理，速度差会导致压力差，从而产生一个垂直于粒子飞行方向的侧向力。
2.2磨料浓度对催化剂磨损强度的影响
磨料浓度和催化剂磨损强度之间的关系如图3a所示。从图3a可以看出，随着磨料用量的增加，在相同的试验时间内，磨损失重率逐渐增大，磨损强度先增大后减小。磨损强度定义为当消耗1kg硅砂时催化剂的重量损失率。当硅砂的重量(飞灰浓度)超过一定范围(本试验中为32g/m3)时，磨损强度下降。
2.3空速对催化剂磨损强度的影响
空速和催化剂磨损强度之间的关系如图3b所示。从图3b可以看出，空速对催化剂磨损强度有很大影响。在相同的试验时间和飞灰浓度下，随着空速的增加，磨损强度和磨损失重率迅速增加，耐磨性下降。根据催化剂磨损机理，管道壁和催化剂内壁附近的风速较小，所以其中所含磨料的动能较小，管道壁附近的催化剂相对较小。
而管道和通孔中部风速大，磨料动能高，加剧了对催化剂中部的磨损，使磨损的催化剂截面呈弧形。因此，对于相同的飞灰浓度，风速越高，磨料的动能越大，磨损强度和磨损失重率迅速增加。在SCR脱硝工程中，如果催化剂的实际运行工况偏离设计要求，如烟气量增加，催化剂的磨损会加剧，耐磨性降低，势必影响催化剂的使用寿命，增加SCR系统的运行成本。
2.4磨损时间对催化剂磨损强度的影响
磨损时间和催化剂磨损强度之间的关系如图3c所示。
图3催化剂浓度、空速、磨损时间与磨损强度的关系。
从图3c可以看出，催化剂的净失重率随着磨损时间的增加而增加，两者之间几乎呈线性关系，但催化剂磨损强度曲线在系统运行3小时后趋于稳定，即当测试趋于稳定时，磨损强度基本与磨损时间无关。
2.5端淬后不同催化剂耐磨性的差异
催化剂结束时的硬化原理如图4所示。催化剂表面浸渍一层硬化液后，在高于常温的烟气中加热后，硬化液的化学成分发生变化，生成硬度远高于烟雾颗粒的化学物质。当烟雾颗粒撞击硬化层时，硬化层可以保护催化剂不被磨损。
图4催化剂硬化层的作用原理
催化剂端部硬化处理后，对比试块和试块的磨损试验表明，端部和壁面无明显磨损现象，未硬化试块磨损后端部一般呈弧形，向内凹陷，说明端部硬化处理能明显提高蜂窝催化剂的耐磨性。
同时，为了考察浸渍了端淬溶液的催化剂对脱硝效率的影响，在同一催化剂上选择了另外两个活性测试块，一个进行了端淬，另一个没有进行端淬，分别测试了两者的脱硝效率。结果如表1所示。
表1催化剂硬化前后脱硝效率对比
两种催化剂的脱硝效率保持不变，表明催化剂浸渍端淬溶液后，催化剂的活性不会受到不利影响。
实验中选择了三种抗压强度相近的催化剂。随着孔隙数量的增加，催化剂的失重和壁厚逐渐减小，耐磨性不断提高。与未经硬化处理的催化剂相比，端部硬化的催化剂耐磨性明显提高，总体趋势仍然是随着孔数的增加耐磨性相对提高。
经过硬化处理后，催化剂的壁厚急剧减小，与未经硬化处理的催化剂相比，三种规格的壁厚趋于一致。这说明对催化剂进行末端硬化处理可以大大提高催化剂的耐磨性，从而提高催化剂的使用寿命，降低更换和维护成本。
3结论
利用自制的模拟试验装置研究了SCR蜂窝催化剂的耐磨性。结果表明，催化剂的磨损强度主要受空速和磨损剂浓度的影响，尤其是空速。同时也表明，随着催化剂孔数的增加，催化剂的磨损强度和耐磨性同时提高。
以上结果表明，电厂的实际运行条件会极大地影响催化剂的耐磨性和使用寿命，在设计催化剂选型时应根据电厂的实际情况合理选择催化剂。
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