煙氣脫硝實驗教學平臺的搭建

姜 燁，林日億，劉晴雨，楊景珊，胡英茂

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580）

隨著我國經濟的持續快速發展，以煤炭為主的能源消耗大幅攀升，導致氮氧化物（NOx）排放量巨大。NOx可以引發酸雨、光化學煙霧和灰霾等污染問題，NOx的減排迫在眉睫。以NH3為還原劑、V2O5/TiO2基氧化物為催化劑的選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）煙氣脫硝技術，因其脫硝率高、技術成熟、運行可靠而被廣泛應用于環保要求高的國家。火電行業是我國NOx主要的排放源［1］。截至2013年底，我國已投運火電廠煙氣脫硝機組容量約4.3億千瓦，占全國現役火電機組容量的50%，脫硝設備剩余安裝改造空間較大［2］。盡管目前工業化應用的V2O5/TiO2基催化劑表現出良好的脫硝性能，但是其活性組分V2O5具有生物毒性，因而釩基催化劑的淘汰只是時間問題［3］。目前，我校能源與動力工程專業學生對煙氣脫硝知識的學習主要是通過專業必修課“工程燃燒學”和專業限選課“潔凈煤燃燒發電技術”兩門課程。通過這兩門課程的學習，學生能夠基本掌握氮氧化物的生成機理、SCR煙氣脫硝原理和工藝過程等相關理論知識，但是缺少煙氣脫硝系統及相關實驗。實驗教學對于培養學生的工程實踐能力、創新能力和科研能力具有不可替代的作用［4－6］，是培養創新型人才的有效途徑［7］。因此，亟需構建煙氣脫硝實驗教學平臺，幫助學生更好地掌握煙氣脫硝的工藝過程、反應機理以及影響脫硝效率的主要因素，為學生自行設計實驗，探索煙氣脫硝的規律和方法。這對培養學生自主學習、自主實驗和自主創新能力、加強學生的科研能力和工程實踐能力、促進煙氣脫硝技術的發展具有重要的意義。

1 煙氣脫硝實驗教學平臺建設方案

1.1 煙氣脫硝實驗教學平臺的構成

火電廠SCR煙氣脫硝系統主要由反應器、催化劑和氨儲存及噴射系統組成［8］。

催化劑是SCR脫硝反應的核心，其性能直接影響SCR系統的整體脫硝效果。催化劑的性能主要取決于其化學組成和物理結構，與制備的方法也密不可分［9］。在催化劑的制備過程中，通過改變催化劑的組成、制備方法和制備條件，使學生熟悉催化劑的制備工藝和過程，也為學生自主設計催化劑奠定一定的基礎。

反應器是SCR脫硝反應的場所，煙氣在反應器內自上而下流經催化劑。反應器內煙氣的溫度、流動速度、組分等對SCR系統的脫硝效率影響很大。由反應器、模擬煙氣、還原劑NH3、煙氣分析儀、連接管線等組成煙氣脫硝系統實驗臺，可以使學生直觀地認識煙氣脫硝的工藝過程，掌握相關儀器設備的操作，分析煙氣脫硝過程的現象和規律。因此，本研究中煙氣脫硝實驗教學平臺由催化劑制備平臺和煙氣脫硝系統實驗臺兩部分組成。

1.2 催化劑制備平臺

1.2.1 試劑與儀器

試劑的選擇取決于催化劑的組成和制備方法。以浸漬法制備V2O5/TiO2催化劑為例，需要的試劑為：納米級二氧化鈦（法國 Millennium Inorganic Chemicals Inc.）、偏釩酸銨（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）、草酸（分析純，上海美興化工有限公司）。

儀器：高精度電子天平（德國Sartorius公司）、磁力攪拌器（杭州儀表電機有限公司）、數顯鼓風干燥箱（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）、箱式電阻爐（上海意豐電爐有限公司）、真空泵（天津奧特賽恩斯儀器有限公司）、超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、水浴鍋（杭州藍天化驗儀器廠）、PH 計（瑞士Mettler公司）、蠕動泵（保定蘭格恒流泵有限公司）。

1.2.2 制備方法

催化劑的制備方法很多，常用的方法有浸漬法、沉淀法、共混合法、溶膠－凝膠法等。以浸漬法制備V2O5/TiO2催化劑為例，具體過程為：

（1）稱取一定量的TiO2，按照TiO2的吸水率加入催化劑前驅體水溶液等體積浸漬。催化劑前驅體水溶液是按照偏釩酸銨和草酸物質的量之比為1∶2配置的混合水溶液，V2O5在催化劑中的負載量由偏釩酸銨在該溶液中的濃度來調節。

（2）混合物超聲振蕩30min，室溫下靜置24h，110℃干燥12h，500℃焙燒5h后，得到V2O5/TiO2催化劑。

此外，學生還可查閱文獻資料，自行設計催化劑，采用不同方法制備不同配方的催化劑。

1.3 煙氣脫硝系統實驗臺

煙氣脫硝實驗系統由煙氣模擬系統、氨噴射系統、催化反應系統、煙氣分析測試系統4部分組成，實驗系統流程如圖1所示。

圖1 煙氣脫硝實驗系統流程圖

1.3.1 煙氣模擬系統

燃煤煙氣主要包括 N2、O2、NOx、SO2、CO2、H2O等成分。考慮到燃煤煙氣中NOx主要以NO和NO2的形式存在，其中NO占NOx總量的90%～95%［10］，因此本系統用NO代替NOx。各種模擬煙氣成分（除H2O外）由鋼瓶氣來配制，NO和SO2由濃度為4%的標準氣體（N2為平衡氣，杭州新世紀混合氣體有限公司）供給，N2、O2和 CO2由純度為99.999%的純氣（青島天源氣體有限公司）供給。各氣體的流量由質量流量計（北京七星華創電子股份有限公司）控制，所有質量流量計均經過皂膜流量計校準。模擬煙氣中的水蒸氣通過調節微量注射泵（浙江浙大醫學儀器有限公司）的注射量將去離子水注入加熱管路汽化來實現。

1.3.2 氨（NH3）噴射系統

還原劑NH3由鋼瓶氣供給，鋼瓶氣是濃度為4%的標準氣體（N2為平衡氣，杭州新世紀混合氣體有限公司），由質量流量計對NH3進行控制和調節。為了避免SO2與NH3、O2反應生成（亞）硫酸銨鹽，還原劑NH3直接由SCR反應器入口處加入，而且在SCR反應器入口前混合氣管路采用加熱帶加熱。

1.3.3 催化反應系統

SCR反應器采用自制的連續流固定床石英管式反應器，內徑為8mm，長度為500mm。反應器采用管式電爐（杭州藍天化驗儀器廠）加熱，溫度由插入催化劑床層的K型熱電偶（外徑1mm）測量，并由可編程溫度控制儀程序控制，溫控儀的精度為±1℃。在反應器中部裝有蜂窩陶瓷支撐體，用于固定催化劑床層和熱電偶。催化劑上鋪有石英棉，用惰性填充物（玻璃珠）填滿催化劑上方空間，起到預熱氣體的作用，這樣氣體溫度變化小，能夠提高實驗的效率。管式電爐的兩端采用石棉塞緊，防止熱量散失導致溫度測量的不準確。

1.3.4 煙氣分析測試系統

模擬煙氣及反應后氣體成分的分析工作采用德國Testo公司制造的350Pro多組分氣體分析儀進行，該氣體分析儀可以同時測量 O2、NO、NO2、CO2、SO2的濃度。為了防止SCR反應后逃逸的NH3對氣體分析儀中各測量模塊造成影響，氣體在進入氣體分析儀分析之前要經濃硫酸洗滌以除去NH3。

2 教學實驗項目設計

針對能源與動力工程專業在煙氣脫硝技術方面對實踐創新復合型人才的培養需求，從演示性實驗、驗證性實驗和創新性實驗3方面搭建了煙氣脫硝實驗教學平臺，可以實現以下主要實驗。

（1）SCR煙氣脫硝工藝的認識實驗。通過對SCR煙氣脫硝系統中各組件的組裝和管路的連接，熟悉SCR煙氣脫硝工藝過程，了解和實際操作關于氣體計量、溫度可編程控制、煙氣成分分析等儀器設備，對固定床反應器的結構和使用有更直觀的認識，為后續的學習和工作打下基礎。

（2）催化劑的制備實驗。以V2O5/TiO2催化劑為例，通過改變活性組分V2O5在催化劑中的負載量、采用不同性質的TiO2載體、通過不同的煅燒溫度和煅燒時間、添加過渡金屬等方式制備V2O5/TiO2基催化劑，基本掌握催化劑的制備方法和相關設備的使用方法。

（3）制備參數對催化劑脫硝性能影響的實驗。在一定煙氣條件下，研究載體性質、煅燒條件、活性組分擔載量、過渡金屬摻雜等制備參數與催化劑煙氣脫硝性能的內在聯系。

（4）操作條件對催化劑脫硝性能影響的實驗。研究反應溫度、空速、［NH3］/［NO］等對催化劑脫硝性能的影響規律。

（5）煙氣組分對催化劑脫硝性能影響的實驗。對于參加SCR反應的氣體（NO、NH3、O2），設計暫態響應實驗，研究其在SCR反應中的作用，研究H2O和SO2在不同濃度和溫度條件下對催化劑煙氣脫硝性能的影響規律。

（6）反應動力學實驗。通過該實驗，可以得到催化劑上進行SCR反應所需的活化能，這是檢驗催化劑性能的一個重要參數。還可以明確催化劑上SCR反應速率與NO、NH3以及O2含量之間的關系，了解催化劑上的SCR反應機理。

3 煙氣脫硝實驗教學平臺功能的多元化

學生在煙氣脫硝工藝過程、催化劑的制備以及催化劑煙氣脫硝性能測試和影響因素分析等多層次的綜合實驗訓練中，完成綜合應用技能的強化和研究方法的訓練。更重要的是，學生可以自主選擇實驗項目、自主設計實驗方案、自行開展實驗，觀察和研究煙氣脫硝過程的規律和現象。這樣，既保證理論教學演示性和驗證性實驗的開設，又滿足創新性、設計性和綜合性實驗的需求，對于學生的實踐能力、創新能力和綜合素質的提高具有重要的意義。

煙氣脫硝實驗教學平臺可滿足本科生畢業設計和創新創業訓練的需要。結合目前煙氣脫硝工程在我國環保領域應用中所遇到的問題和SCR催化劑向環境友好發展的趨勢，學生可自主查閱文獻，利用煙氣脫硝實驗教學平臺自主選擇或者在教師的指導下選擇研究項目，完成研究、設計和實驗。這為學生提供了一個從理論走向實踐的平臺，有助于提升學生在煙氣脫硝領域的創新實踐能力。

煙氣脫硝實驗教學平臺還可滿足科學研究和科技創新的需要，實現教學和科研的緊密結合。煙氣脫硝實驗教學平臺可為催化劑的制備、催化劑的活性評價及反應動力學分析提供相關設備、裝置和儀器，可進行新型無釩脫硝催化劑、同時脫硫脫硝催化劑、低溫脫硝催化劑等方面的研究。將科研的方法引入實驗教學中，部分科研成果也可轉化為本科實驗教學內容，實現實驗室資源的有效整合［4，11－12］。

4 結束語

煙氣脫硝實驗教學平臺的建設，既保證了理論教學演示性和驗證性實驗的開設，又滿足了創新性、設計性和綜合性實驗的需求，可以加深學生對煙氣脫硝知識的理解、發揮學生的主觀能動性，增強學生實踐動手能力和科研創新意識。煙氣脫硝實驗教學平臺的多元化功能在實踐創新復合型人才培養和學科建設中發揮了積極的作用。

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