SCR蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率测试的影响因素

随着国家脱硫脱硝政策的不断趋严[1]，选择性催化还原(SCR)蜂窝式烟气催化剂由于其热稳定性好、耐高温能力强、活性利用率及保持率高，被广泛应用于火电、玻璃窑炉、垃圾焚烧等领域，其中V2O5-WO3/TiO2系催化剂[2]成为SCR蜂窝式烟气催化剂的主流。磨损性能、抗压强度等是影响该催化剂物理寿命的关键指标，国家相继出台了一些有关指标检测的标准方法，这些指标的检测方法逐渐规范[3]。检测SCR蜂窝式烟气催化剂磨损率的方法主要有GB/T 31587-2015《蜂窝式烟气脱硝催化剂》和DL/T 1286-2013《火电厂烟气脱硝催化剂检测技术规范》。这两种方法基本相同，但在细节上存在一定的差别，例如GB/T 31587-2015明确规定进入试样仓的风管直径为65 mm，而DL/T 1286-2013未做此规定；GB/T 31587-2015中风速采用的是催化剂通道内标态风速，而DL/T 1286-2013中采用的是工况风速；GB/T 31587-2015中试样长度×宽度是60 mm×70 mm，而DL/T 1286-2013中试样长度×宽度是60 mm×80 mm。虽然GB/T 31587-2015在一些细节因素上有所改进，但是实际操作起来还是存在一定的问题。

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因此，笔者从SCR蜂窝式烟气催化剂磨损率测试的一些重要影响因素出发，对比了该SCR蜂窝脱硝催化剂在不同标态风速、温度、壁厚下检测出的磨损率，并分析了产生磨损率差异的原因，最后对GB/T 31587-2015《蜂窝式烟气脱硝催化剂》提出了修订意见，以提高磨损率测试的一致性和准确度。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

选取节距为8.2 mm的SCR蜂窝式烟气脱硝催化剂，从同一根单体上截取n组8×8孔试样备用; 选取节距为7.6 mm同配方同工艺不同壁厚的蜂窝式烟气脱硝催化剂，从该两根不同壁厚(薄壁和厚壁)的单体上各截取2组9×9孔试样备用。

1.2 试验方法

1.2.1 不同通道内标态风速下的磨损率试验方法

将试样置于烘箱内，在(105±2) ℃干燥2 h后取出，将试样放置在干燥器中冷却至室温，称取其质量(精确至0.01 g)记为m1。将试样用海绵包裹后，置于试样仓中(若试样经过硬化处理，应将硬化端作为迎风面)，试样外壁与试样仓仓壁之间完全密封，使空气和磨损剂完全从试样的通道内流过。控制并调节该催化剂通道内的标态风速为(10±0.5) m·s-1，进入试样仓的风管直径为65 mm，磨损剂(干燥的粒径为0.300～0.425 mm的高硬度石英砂)含量为(50±5) g·m-3，2 h后停止试验。取出试样，置于烘箱内，在(105±2) ℃干燥2 h后取出，将试样放置在干燥器中冷却至室温，称取质量并记为m2,则磨损率计算公式为

不同通道内标态风速下SCR蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率的测试结果见表1，通道内标态风速与该催化剂磨损率的关系曲线如图1所示。由表1可见，随着催化剂通道内标态风速的增加，该催化剂的磨损率急剧增加。由图1可见，该催化剂的磨损率几乎与通道内标态风速的平方成正比。因此，催化剂通道内的标态风速是影响磨损率的重要因素，在试验中应准确控制催化剂通道内标态风速，以保证准确地测试出SCR蜂窝式烟气脱硝催化剂的磨损率。

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1.2.2 不同管道温度下的磨损率试验方法

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采用1.2.1节的测试方法，选取节距为7.6 mm的催化剂试样，对比薄壁和厚壁试样催化剂在通道内标态风速(14.5±0.5) m·s-1下的磨损率，编号为10～11号；并对比薄壁和厚壁试样在试样仓入口端管道工况风速为(14.5±0.5) m·s-1下的磨损率，编号为12～13号。

采用1.2.1节的测试方法，催化剂通道内标态风速恒定为(14.5±0.5) m·s-1，管道温度分别设定为0，18，35 ℃[4]，以上3组试样分别编号为6～8号；为了对比试样仓入口端管道工况风速在相同环境温度下对磨损率的影响，另取1组试样在管道环境温度为35 ℃下，设置不同的试样仓入口端管道工况风速进行试验，编号为9号。

1.2.3 不同壁厚下的磨损率试验方法

2 试验结果与讨论

2.1 通道内标态风速对磨损率的影响

其余4组样品测试方法同上，只是将催化剂通道内标态风速分别调整为(12 ±0.5)，(14±0.5)，(15±0.5)，(16±0.5) m·s-1，以上5组试样分别编号为1～5号。

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表1 不同通道内标态风速下蜂窝式烟气脱硝催化剂的磨损率Tab.1 Abration ratio of honeycomb type flue gas denitrificationcatalyst under different standard wind speeds inside the channel

  

试样编号节距/mm催化剂通道内标态风速/(m·s-1)孔数/孔磨损率/%1号10±0．50．092号12±0．50．143号8．214±0．58×80．184号15±0．50．205号16±0．50．24

  

图1 通道内标态风速与蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率的关系曲线Fig.1 The relation curve of the abration ratio of the honeycomb flue gas denitrification catalyst and the standard wind speed inside the channel

2.2 管道温度对蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率的影响

不同管道温度下蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率见表2，由6号和9号试样的磨损率结果可知，试样入口端管道工况风速一样的情况下磨损率不随环境温度的变化而变化；由6，7，8号试样的磨损率结果可知，随着温度的升高，同一根催化剂单体上切割制成的3个试样，磨损率明显变大，表明了同一个试样在冬天最冷的时候和夏天最热的时候测试出来的磨损率不一样。主要原因是GB/T 31587-2015里对流速的定义是催化剂通道内标态风速，通过温度压力换算成工况风速以后，在管道温度分别为0，18，35 ℃时对应的试样入口端管道工况风速分别是14.43，15.38，16.28 m·s-1，由2.1节可知，磨损率随着催化剂通道内风速的增加急剧增大。因此管道温度随环境的变化影响的是试样入口端管道工况风速，夏天管道温度偏高，工况风速变大，磨损率也相应变大；反之冬天磨损率则相对偏低。同一个试样在环境温度不一样的情况下测试出来的磨损率不一样，这说明测试方法本身存在一定的问题。因此，GB/T 31587-2015中对催化剂通道内风速定义为标态风速是不合理的，而DL/T 1286-2013中对催化剂通道内风速定义为工况风速是合理的。

 

表2 不同管道温度下蜂窝式烟气脱硝催化剂的磨损率Tab.2 Abration ratio of honeycomb type flue gas denitrification catalyst at different pipe temperatures

  

试样编号节距/mm催化剂通道内标态风速/(m·s-1)孔数/孔管道温度/℃试样入口端管道工况风速/(m·s-1)磨损率/%6号14．5014．430．167号8号8．214．514．58×8183515．3816．280．180．219号-3514．430．16

2.3 壁厚对蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率的影响

不同壁厚下蜂窝式烟气脱硝催化剂的磨损率见表3。可见同节距单体壁厚变薄后，开孔率变大，试样入口端工况风速明显变大，由2.2节可知，磨损率会随之增加。10号和11号试样的磨损率测试结果分别为0.20%，0.15%，正好印证了这个结论。12号和13号试样设定试样入口端管道风速为15 m·s-1，其磨损率测试结果一致。因此，在依据GB/T 31587-2015测试催化剂的磨损率时，壁厚的变化改变了测试装置中的试样入口端工况风速，影响了催化剂的磨损率，这也同样印证了前述结论，说明测试方法中设置磨损装置试样入口端工况风速比催化剂通道内风速更能合理地表征催化剂的磨损率。

 

表3 不同壁厚下蜂窝式烟气脱硝催化剂的磨损率Tab.3 Abration ratio of honeycomb type flue gas denitrification catalyst at different wall thickness

  

试样编号节距/mm催化剂通道内标态风速/(m·s-1)孔数/孔壁厚/mm试样入口端管道工况风速/(m·s-1)磨损率/%10号14．50．7017．270．2011号12号7．614．5-9×90．970．7015．8315．000．150．1613号-0．9715．000．16

3 结论及建议

影响SCR蜂窝式烟气脱硝催化剂磨损率测试结果的因素主要有催化剂通道内标态风速、管道温度、壁厚等。管道温度、壁厚实际上是改变了催化剂试样仓入口端工况风速，从而导致磨损率测试结果的变化。为了更合理地表征蜂窝式烟气脱硝催化剂的磨损率，建议将GB/T 31587-2015《蜂窝式烟气脱硝催化剂》中的测试条件进行更改，即将“通道内标态风速14.5 m·s-1”更改为“试样仓入口端工况风速14.5 m·s-1”。

参考文献：

[1] 安全建,戴宏斌,曹敏. 氧化锌脱硫剂的制备与性能评价[J]. 工业催化,2015,23(3):213-215.

[2] 黄燕,孟庆华,金迁,等. 制备方法对V2O5-WO3/TiO2选择性催化还原催化剂性能的影响[J]. 工业催化,2015,23(4):301-306.

[3] 王文东,史科,薛春,等. 高强石墨/SA 508 Gr3钢摩擦副的摩擦磨损性能[J]. 理化检验(物理分册),2015,51(6):426-430.

[4] 张兆峰,李想,李仙会. 环境温度对聚氨酯弹性体/环氧复合板力学性能的影响[J]. 理化检验(物理分册),2015,51(5):312-314.