脫硝催化劑標準在催化劑制造中的應用

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脫硝催化劑標準在催化劑制造中的應用

董曉真(大唐南京環保科技有限責任公司)

本文介紹了《平板式煙氣脫硝催化劑》和《煙氣脫硝催化劑化學成分分析方法》制定的重要性，并對這兩種標準在催化劑生產制造中的實際應用進行了分析，通過對幾何性能、理化性能、反應性能等催化劑性能的詳細介紹，使煙氣脫硝催化劑系列國家標準的應用更加直觀與完善。

平板式;煙氣脫硝;催化劑;標準;成分

0 引言

我國是世界上的煤炭消費大國，火電耗煤占一半以上。燃煤排放的煙氣氮氧化物(NOx)是造成大氣灰霾、光化學煙霧、酸雨等區域性污染的重要原因，嚴重影響人體健康和社會安定。有效控制煙氣NOx排放對于NOx總量減排、改善區域大氣環境具有極為重要的意義。

SCR法是世界上最主流的去除NOx的方法。SCR是利用適當的催化劑，在一定的溫度下，利用還原劑(如NH3)“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。催化劑是SCR法煙氣脫硝技術的核心，其性能直接影響SCR系統的整體脫硝效果[1]。SCR脫硝催化劑主要有三種類型，包括蜂窩式催化劑、平板式催化劑及波紋板式催化劑。其中國內應用比較廣泛的為蜂窩式和平板式兩種。平板式催化劑由于采用不銹鋼網作為支撐體，使用加壓涂覆工藝，斷面為平行褶皺板結構，因此在防止飛灰堵塞、磨損和抗中毒等方面具有很大的優勢，在高塵燃煤煙氣脫硝占據很大的市場份額[2]。

隨著GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》的發布，SCR系統建設需求在國內呈現爆發式增長。近年來，各種不同背景的SCR催化劑生產廠家如雨后春筍般涌現。對于平板式催化劑，在性能檢測方面，一直缺乏國家的統一標準。不同行業、企業同時存在各自的行標、企標，對于性能檢測內容、測試裝置、試驗方法、數據處理等規定各不相同。由于國內大部分催化劑廠家都是引進國外技術，因此，各催化劑廠家都是依據直接從外方標準翻譯而來的企業標準進行產品檢測，相互之間差別很大，甚至對于同一檢測指標的定義都各不相同，使招標方無從進行質量判斷和優選。催化劑領域目前也缺少第三方檢測機構和評價機構，無法對不同廠家的催化劑質量在統一的評價體系內進行質量評價，對工程的合理用量也無從評判[3]。針對上述問題，很有必要制定出臺統一的催化劑性能檢測國家標準，從而更加科學、合理地指導催化劑的生產、檢測、評估等工作?；诖?，提出了《平板式煙氣脫硝催化劑》國家標準的制定。

煙氣脫硝催化劑在制造過程中使用的原材料主要有二氧化鈦(銳鈦礦)、偏釩酸銨、鉬酸銨或仲鎢酸銨、玻璃纖維等。經過不同的制造工序，煙氣脫硝催化劑成品中含有的主要化學成分有TiO2、V2O5、WO3或MoO3、SiO2、Al2O3等。V2O5是脫硝催化劑的主要活性成分，在催化劑配方的設計中需根據不同的煙氣條件嚴格控制V2O5的含量；WO3或MoO3作為助劑，增強催化劑化學活性、熱穩定性和抗中毒能力；SiO2可以增強催化劑的機械強度[4]。因此，控制催化劑的成分可以保證催化劑的活性及壽命，在催化劑制造中至關重要。在《煙氣脫硝催化劑化學成分分析方法》標準制定之前，國內尚無脫硝催化劑化學成分測試的相關標準，因此無統一的操作指導，容易造成不同廠家對同一催化劑樣品測試成分差異較大，因此制定化學成分分析方法的國家標準意義重大?；诖?，提出了《煙氣脫硝催化劑化學成分分析方法》國家標準的制定。

《平板式煙氣脫硝催化劑》(GB/T 31584―2015)和《煙氣脫硝催化劑化學成分分析方法》(GB/T 31590-2015)國家標準是國標委下達的“2013年第二批國家標準制修訂計劃”項目(國標委綜合〔2013〕90號文件)，這兩項標準均于2016年1月1日起正式實施。

1 平板式脫硝催化劑工藝

平板式脫硝催化劑以薄型不銹鋼網為基材，將混合好的膏料均勻涂覆在不銹鋼網上，并將不銹鋼網壓制褶皺，按要求剪切成單板，并將單板進行組裝煅燒，最終形成催化劑模塊[5]。為了保證催化劑的合格性，需要在每一個環節對催化劑進行檢測，因此，制定一項催化劑標準可以規范企業生產，保證催化劑質量。

圖1 平板式脫硝催化劑制備工藝流程圖

平板式脫硝催化劑在實際生產過程中，需要確定檢驗過程、技術指標等來確保其質量穩定性及合格性。因此，《平板式煙氣脫硝催化劑》標準就對平板式催化劑的幾何性能、理化性能和反應性能技術指標進行了規定，并規范了相應的檢測方法。同時，對術語和定義、產品規格、要求、試驗方法、檢驗規則、標志、包裝、運輸和儲存及產品隨行文件也進行了規范。

2 幾何性能

平板式脫硝催化劑的幾何性能主要包括外觀尺寸、幾何比表面積及開孔率，其中幾何比表面積和開孔率通過外觀尺寸測量值進行計算得到?！镀桨迨綗煔饷撓醮呋瘎穼缀涡阅艿臏y試方法進行了規范。幾何性能采用用卷尺(最大允許誤差為±1mm)和游標卡尺(最大允許誤差為±0.01mm)測量。單板厚度的檢測結果精確到0.01mm，取同一單板不同位置的三次測量結果的算術平均值作為測量結果，三次測量結果的相對偏差應≤4%。其他外觀尺寸的測定結果精確至1mm。

在實際生產過程中，操作人員首先對入廠的模塊框及單元盒進行抽樣檢測，使其滿足項目的要求。在催化劑涂覆過程中，操作人員需要對單板的長度、寬度、厚度進行測試，確保生產的單板滿足要求。《平板式煙氣脫硝催化劑》對幾何性能的測試進行規范，使測試過程有測試依據，確保了催化劑幾何尺寸的合格性。

3 理化性能

3.1 比表面積

對于氣-固相催化反應，催化劑表面是進行反應的場所，一般來說比表面積越大，催化劑活性越高，但比表面過大也易造成催化劑機械性能的下降。因此，催化劑的比表面積需要控制在一定范圍內保證其脫硝效率。根據長期研發、生產、檢測及運行過程中的經驗總結，平板式脫硝催化劑的比表面積需要≥60m2/g。實際生產過程中，催化劑的比表面積按照GB/T 19587中的容量法進行測試[6]，使用的儀器為比表面積分析儀。其中從催化劑表面上截取的試樣為0.8000g～1.2000g(不含基材)，在300℃真空脫氣至少30min后進行測試。

3.2 孔容

孔容是表示催化劑基體內部的大孔能與煙氣接觸程度的物理性能。催化劑的孔容應控制在一定范圍內才能保證其脫硝效率?？兹轀y試是采用壓汞法，所使用儀器為壓汞儀。對于平板式脫硝催化劑，其孔容應不小于0.25ml/g，從催化劑基材表面截取試樣，不包括基材部分，并對測試樣品進行預處理，其測試按GB/T 21650.1的規定進行[7]。

3.3 耐磨強度

耐磨強度是指平板式催化劑受到外力摩擦時，其表面活性物質涂層能抵抗摩擦力而不形成碎屑或粉末的能力[8]。催化劑耐磨強度不合格，容易造成使用過程中催化劑脫落，導致脫硝效率下降，影響使用壽命。因此對催化劑來講，耐磨強度是極其重要的指標。耐磨強度主要采用旋轉磨耗儀對其進行測試。旋轉磨耗儀是將被測試樣放置在一個旋轉平臺上，通過其上方的滾動的摩擦輪在一定負荷下與試樣進行旋轉摩擦運動來磨損試樣，形成一個圓環形的磨損痕跡。經過規定的摩擦次數后通過稱量質量差計算試樣的磨損程度。

3.4 化學成分含量

煙氣脫硝催化劑在制造過程中使用的原材料主要有二氧化鈦(銳鈦礦)、偏釩酸銨、鉬酸銨或仲鎢酸銨、玻璃纖維等。經過不同的制造工序，煙氣脫硝催化劑成品中含有的主要化學成分有TiO2、V2O5、WO3或MoO3、SiO2、Al2O3等。測定催化劑中元素含量的方法有多種，化學滴定法、分光光度法、離子色譜法、波長色散X射線熒光光譜法、電感耦合等離子體發射光譜法等均可以進行測定。脫硝催化劑中元素含量的測定一般采用X射線熒光光譜法，此法具有分析速度快，測量精度高等優點，可以進行脫硝催化劑成分的定量分析。

在實際生產過程中，X射線熒光光譜法主要用來測試擠出膏料及煅燒后的催化劑。通過對每一批膏料進行成分控制，確保涂覆到單板上的膏料是合格的，這樣能保證煅燒后催化劑成品的成分能滿足要求。測試樣品主要采用熔融法和壓片法進行制備。其中熔融法制備的樣品具有準確性高，不易損壞，不會污染實驗儀器等優點，是一種仲裁方法。

《平板式煙氣脫硝催化劑》對TiO2及V2O5的含量及允許偏差進行了規定，TiO2的含量需要≥75%，不同的V2O5含量允許偏差不同。通過對脫硝催化劑的主要成分進行控制，保證了催化劑的脫硝效率和活性。

4 工藝性能

工藝性能包括體現催化劑活性的脫硝效率、SO2/SO3轉化率、NH3 逃逸率以及壓降等綜合性能指標[9]。這些指標一般在催化劑成品完成后需要在實驗室實際煙氣工況下進行檢測,以確認各指標符合要求。

脫硝催化劑的反應性能是催化劑各性能指標中最為重要的一項。所有催化劑在生產制造結束后必須進行脫硝效率等的測試，確保其滿足使用要求。目前，各催化劑廠家及檢測機構的催化劑反應性能測試裝置和裝置規模各不相同，有進口設備、國產設備及自主研發設備，但測試裝置的原理及基本組成部分基本一致，測試裝置的簡易示意圖如圖2所示。

催化劑反應性能指標的測試裝置是保證檢測結果正確、可比的關鍵。目前存在的反應性能試驗裝置有中型試驗裝置和微型試驗裝置，中型試驗裝置可以模擬項目煙氣條件進行反應性能指標測試，微型試驗裝置無法完全模擬項目煙氣條件，且測試使用的樣品尺寸很小，測試結果與實際的項目工藝性能指標存在一定差異，因此在標準中平板式脫硝催化劑的反應性能測試規定為中型性能測試裝置。通過調研，目前各催化劑廠家或科研機構使用的中型催化劑反應性能測試裝置能夠安裝的樣品尺寸寬度在60mm～150mm范圍內、長度與催化劑原始高度一致，因此我們將該裝置裝填樣品的尺寸規定在上述范圍內。在實際生產過程中，需要對脫硝催化劑成品進行抽樣測試脫硝效率等工藝性能。只有工藝性能指標符合要求的催化劑才能應用于脫硝工程中。

《平板式煙氣脫硝催化劑》(GB/T 31584―2015)國家標準作為我國首個關于平板式脫硝催化劑的產品標準，詳細規定了平板式催化劑的幾何性能、理化性能、反應性能及各項性能要求所對應的檢測方法，除此以外還規定了平板式催化劑的產品規格、檢驗規則、標志、包裝、運輸和儲存等內容?！稛煔饷撓醮呋瘎┗瘜W成分分析方法》是國內首個脫硝催化劑方法標準，此標準對脫硝催化劑成分測試的方法進行了規范，統一了測試過程。這兩項標準的實施為廣大平板式催化劑用戶、生產商及科研檢測機構等提供了統一的產品規格、技術指標和檢測方法，有效保證了催化劑產品質量、提高了催化劑互換性，促進了國內脫硝催化劑市場的健康發展。

圖2 脫硝催化劑反應性能測試裝置

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[6]GB/T 19587―2004,氣體吸附BET法測定固態物質比表面積[S].

[7]GB/T 21650.1―2008,壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度第1部分：壓汞法[S].

[8]DL/T 1286―2013,火電廠煙氣脫硝催化劑檢測技術規范[S].

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This paper introduces the importance of " Plate-type DeNOx catalysts" and " Analytical method of chemical composition of flue gas DeNOx catalysts ",and analyzes the practical application of the standards in catalyst manufacturing.The detailed introduction of geometrical properties,physical and chemical properties,reaction performance and other catalyst performance in detail makes the standards more intuitive and perfect in application.

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董曉真，工程師，從事脫硝催化劑研發工作。