利用自制耐磨性能模擬試驗裝置對SCR蜂窩式催化劑進(jìn)行耐磨性能試驗研究。結(jié)果表明，催化劑的磨損強(qiáng)度主要受空速和磨損劑濃度的影響，特別是空速的影響很大。隨著催化劑孔數(shù)的增加，催化劑的磨損強(qiáng)度和耐磨性提高。

電站鍋爐系統(tǒng)排出的NOx是酸雨形成的主要大氣污染物之一，典型電站排出的NOx由約95%的NO和約5%的NO2構(gòu)成。采用低NOx燃燒器、煙再循環(huán)、等級燃燒或水蒸氣注入[1]等技術(shù)可以降低NOx排出濃度，但這些技術(shù)成本高，脫硝效率低，對鍋爐產(chǎn)生負(fù)面影響，難以大規(guī)模普及[2]。

隨著中國火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB13223-2003)的正式頒布，中國對電站NOx的排放做出了更嚴(yán)格的規(guī)定。因此，脫銷效率高，價格相對便宜，適應(yīng)鍋爐的SCR技術(shù)在我國開始應(yīng)用，呈上升趨勢。

催化劑是SCR系統(tǒng)中最重要的組成部分，目前市場上SCR催化劑主要有蜂窩式、板式、波紋板式三種，其中蜂窩催化劑的市場占有率最高，約為60%~70%[3]。蜂窩催化劑的性能直接影響SCR系統(tǒng)的脫銷效率，其采購、更換和維護(hù)成本是SCR系統(tǒng)運行費用的主要部分。影響蜂窩催化劑活性的因素很多，煙塵粒子對催化劑的磨損是失活的主要原因之一。由于我國煤種的特性和成本，發(fā)電廠經(jīng)常使用高鈣煤、劣質(zhì)煤，燃燒這些煤種產(chǎn)生的煙塵粒子大，硬度高，成分復(fù)雜，催化劑磨損加劇，嚴(yán)重時催化劑更換周期縮短，維護(hù)費用增加。因此，對蜂窩催化劑的耐磨性進(jìn)行了試驗研究，具有一定的理論和實踐意義。本文研究了蜂窩SCR催化劑的磨損性能，系統(tǒng)討論了磨損劑濃度、空速(按催化劑容積計算)、接觸時間、蜂窩催化劑孔數(shù)等因素對催化劑磨損性能的影響，為燃煤發(fā)電廠根據(jù)煙氣條件選擇合適的催化劑提供理論依據(jù)。

1試驗材料和方法

1.1試驗裝置和材料

耐磨性能模擬試驗裝置是江蘇龍源催化劑有限公司自制的SCR蜂窩催化劑采用江蘇龍源催化劑有限公司生產(chǎn)的3種型號催化劑磨損劑是江蘇宜興生產(chǎn)精制石英礦砂的端部硬化浸漬液是江蘇龍源催化劑有限公司開發(fā)的全自動電子天平廠家是梅特勒托利多(上海)儀器有限公司。

1.2試驗方法

取催化劑的一部分作為樣品，在105e烤箱中干燥1h，放置在干燥盤中冷卻24h，以一定的流速通過樣品，經(jīng)過特定時間測量試驗塊和參比試驗塊的重量損失和收集的磨損劑重量決定試驗塊的磨損強(qiáng)度和凈失重率。

磨損強(qiáng)度=(1-W2/W1XW3/W4)/W5X100

凈失重率=(W1-W2+W4-W3)/W1X100

式:W1是測試塊測試前的重量，g；W2是測試塊測試后的重量，g；W3是參與測試塊測試前的重量，g；W4是參與測試塊測試后的重量，g；W5是收集硅砂的重量，kg。

2結(jié)果與討論

2.1SCR蜂窩催化劑磨損機(jī)理

對磨損后蜂窩催化劑進(jìn)行比較分析，可觀察催化劑端部磨損的情況。參與催化劑試件沒有暴露在磨損劑中，因此沒有明顯的磨損現(xiàn)象。試驗塊的端部磨損后，端面整體呈弧形向內(nèi)凹陷，各孔的內(nèi)壁也呈弧形。

這可能是因為管道內(nèi)和通孔內(nèi)的風(fēng)速分布遵循流體動力學(xué)，由于滯流邊界層的存在，接近管道壁面和催化劑內(nèi)壁面的風(fēng)速小，其中的磨損劑動能小，接近管道壁面部分的催化劑磨損比較小。管道和通孔中部風(fēng)雷諾系數(shù)大，風(fēng)速高，其中磨損劑動能高，催化劑中部磨損加劇，磨損后催化劑斷面弧形。

此外，磨損的催化劑內(nèi)壁更光滑，厚度減小的原因可能是/馬格努斯效應(yīng)0(見圖1、2)。

圖1馬格努斯效果表示

圖2煙塵粒子對催化劑墻面的磨損表示

從圖1、2可以看出，煙塵粒子被煙包裹在前面運動的同時，自己也發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，由于滯流邊界層的存在，接近催化劑墻面的風(fēng)速小，通孔中部的風(fēng)速大，粒子的旋轉(zhuǎn)角度矢量和自己的飛行速度矢量不一致，根據(jù)伯的努力原理，速度的差異會導(dǎo)致壓力的差異

2.2磨料濃度對催化劑磨料強(qiáng)度的影響

磨料濃度與催化劑磨料強(qiáng)度的關(guān)系見圖3a。從圖3a可以看出，隨著磨損劑用量的增加，在同一試驗時間內(nèi)，磨損失率逐漸增加，磨損強(qiáng)度先增加后減少。磨損強(qiáng)度的定義是每消耗1kg硅砂時催化劑的磨損重量，硅砂重量(灰濃度)超過一定范圍后(本試驗為32g/m3)，磨損強(qiáng)度反而下降。

2.3空速對催化劑磨損強(qiáng)度的影響

空速與催化劑磨損強(qiáng)度的關(guān)系見圖3b。從圖3b可以看出，空速對催化劑的磨損強(qiáng)度有很大影響。在同樣的試驗時間和灰色濃度下，隨著空速的增加，磨損強(qiáng)度和磨損失率急速增加，耐磨損性能下降。催化劑磨損機(jī)理表明，接近管壁面和催化劑內(nèi)壁面的風(fēng)速較小，其中的磨損劑動能較小，接近管壁面部分的催化劑磨損較小。

管道和通孔中部風(fēng)速高，其中磨損劑動能高，催化劑中部磨損加劇，磨損后的催化劑斷面弧形。因此，相同的灰色濃度，風(fēng)速越高，磨損劑的動能越大，磨損強(qiáng)度和磨損失率急速增加。在SCR脫硝工程中，如果催化劑的實際運行條件偏離設(shè)計要求，如果煙霧量增加，催化劑的磨損會加劇，抗磨損性能會下降，必然會影響催化劑的壽命，增加SCR系統(tǒng)的運行成本。

2.4磨損時間對催化劑磨損強(qiáng)度的影響

磨損時間與催化劑磨損強(qiáng)度的關(guān)系見圖3c。

圖3催化劑濃度、空速、磨損時間與磨損強(qiáng)度的關(guān)系

從圖3c可以看出，催化劑的凈失重率隨著磨損時間的增加而上升，兩者呈現(xiàn)出接近線性的關(guān)系，但催化劑的磨損強(qiáng)度曲線在系統(tǒng)運行3小時后變得平穩(wěn)，即試驗穩(wěn)定后，磨損強(qiáng)度基本上與磨損時間無關(guān)。

2.5根據(jù)催化劑端部硬化后的耐磨性能差異

催化劑端部硬化作用原理如圖4所示，催化劑表面浸泡硬化液后，在比常溫高的煙霧中，硬化液受熱后的化學(xué)構(gòu)成發(fā)生變化，硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煙霧粒子的化學(xué)物質(zhì)

圖4催化劑硬化層的作用原理

催化劑經(jīng)過端部硬化處理后，參加塊和試驗塊經(jīng)過磨損試驗，其端部和墻面無明顯磨損現(xiàn)象，未硬化處理的試驗塊端部磨損后，整體呈弧形向內(nèi)凹陷，端部硬化處理顯著改善蜂窩催化劑的耐磨性

同時為了考察催化劑在浸漬了端部硬化液后對脫硝效率的影響,在同一根催化劑上另外選取兩塊活性試驗試塊,其中一塊進(jìn)行硬化處理,另一塊未進(jìn)行硬化處理,分別測試兩者的脫硝效率,結(jié)果如表1所示。

表1硬化前后催化劑脫硝效率對比項

兩者的脫硝效率保持不變,說明催化劑浸漬端部硬化液后不會對催化劑的活性造成不利影響。

試驗中選擇抗壓強(qiáng)度相似的3種催化劑。隨著孔數(shù)的增加，催化劑磨損減重，壁厚磨損減薄的程度逐漸下降，耐磨性能提高。端部硬化處理的催化劑，其耐磨性能比未硬化處理明顯提高，整體趨勢依然隨孔數(shù)的增加，耐磨性能相對提高。

經(jīng)硬化處理的催化劑，其壁厚磨損減薄的程度急劇減小，與未硬化處理的催化劑相比，3種規(guī)格的催化劑壁厚磨損減薄的程度一致。催化劑端部硬化處理大大改善了催化劑的耐磨性，提高了催化劑的壽命，降低了更換和維護(hù)成本。

3結(jié)語

利用自制的SCR蜂窩催化劑耐磨性能模擬試驗裝置，對催化劑進(jìn)行耐磨性能試驗研究，催化劑的磨損強(qiáng)度主要受空速和磨損劑濃度的影響，其中特別是空速的影響最大。同時，隨著催化劑孔數(shù)的增加，催化劑的磨損強(qiáng)度和耐磨性也同時提高。

以上結(jié)果表明，發(fā)電廠的實際運行條件對催化劑的耐磨性和壽命有很大影響，在進(jìn)行催化劑的選擇設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)發(fā)電廠的實際條件合理選擇催化劑。

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