玻璃熔窯SCR脫硝催化劑的選型與布置

張志剛，史 薇

（江蘇中建材環保研究院有限公司，鹽城 224051）

隨著國家環保政策的日趨嚴格和減排工作的大力開展，國家對工業窯爐煙氣排放標準同樣要求越來越嚴。《平板玻璃工業大氣污染物排放標準》（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重要的，直接影響到脫硝效率。由于我國玻璃行業脫硝起步較晚，相關的工程實例較少，所以在催化劑的選型及布置方面多參考火電廠脫硝技術相關經驗。但相對于火電鍋爐來說，由于多數玻璃廠煙氣量較小、且含有堿金屬等特性，致使火電行業脫硝催化劑的選型及布置對玻璃行業并不完全適用。

1 SCR催化劑

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

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，其特定的氧化優勢有利于將氨和NOx轉化為氮氣和水，并且工作溫度相對較低，能在富氧環境下工作，抗中毒能力較強，可負載于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定性；TiO2作為催化劑載體，其本身比表面積較高，穩定性好，且可與V2O5和WO3發生電子協同效應，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向催化劑內部的擴散，從而使催化劑鈍化。此外，堿金屬還會引起催化劑化學中毒，Na＋與催化劑表面的V－OH酸位點發生反應，生成V－ONa，使催化劑吸附NH3的能力下降，從而使參與NO還原反應的NH3的吸附量減少并降低了其參與SCR反應的活性［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，經干燥、燒結后裁切裝配而成，市場份額約60%～70%。蜂窩式催化劑具有模塊化、相對質量比較輕長度易于控制、比表面積大、回收利用率高等優點。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，浸漬催化劑后燒結成型，市場份額占20%～30%，具有對煙氣高的高塵環境適應力強的優點，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，因而在同等工程設計條件下，需要的體積量較小，從而可以減小反應器尺寸，降低建設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、脫硝反應器橫截面積、煙氣流速、阻力等諸多因素，經過最優化設計確定。

火電鍋爐脫硝大多采用2～3層以上布置，而大多數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經濟指標要求，且使用一層脫硝催化劑，反應器結構簡單；催化劑的安裝、維護更為方便有效；減少吹灰裝置，降低投資、運行成本。多數火電鍋爐煙氣脫硝需要多層催化劑，是因為SCR反應器做單層設計橫截面積需要很大，不能滿足上述技術經濟指標要求，因此設計二層或多層催化劑。

初裝一層催化劑的優勢還在于可以降低整個脫硝系統阻力，降低整體運行費用。

結合工程實例，一般建議反應器預留了第二層催化劑安裝，在SCR設備運行初期，僅安裝一層催化劑，在催化劑化學壽命后期，當出現現有催化劑活性降低，不能保證排放要求時，安裝第二層催化劑，當第二層催化劑排放也不能保證排放要求時，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生更多費用，其原因在于催化劑的訂貨是根據催化劑體積計算的，而催化劑在高度上可以任意定制。

3 結 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。從經濟、便捷、高效的角度出發，玻璃熔窯煙氣脫硝初裝一層蜂窩式催化劑且預留第二層催化劑安裝的方式，在保證脫硝效率的同時，可最大限度地節約投資運行成本，減少系統阻力損失，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催化劑的研究進展［J］.材料導報，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展［J］.環境科學與技術，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］.中國環保產業，2007（7）：30－32.