玻璃熔窑烟气SCR 脱硝蜂窝状催化剂的选型计算

雷本喜，尹海滨，蔺海艳

（江苏科行环保科技有限公司，江苏 盐城 224051）

0 引言

截至2014 年12 月，国内浮法玻璃熔窑约一半启动了SCR 脱硝工程， 不少生产线脱硝工程已经投运。在新标准的严格要求下，2015 年剩余生产线也势必开启脱硝工程。

SCR 催化剂是脱硝工程的关键与核心， 它决定着整个脱硝系统的成败，关乎玻璃企业的效益乃至生存。蜂窝状中温（300～380 ℃）SCR 催化剂已在玻璃熔窑脱硝系统中广泛使用。本文结合玻璃熔窑烟气特性，参照脱硝催化剂选型的计算理论，对蜂窝状催化剂的选型进行了深入研究，希望所得结论对相关工作人员有所帮助。

1 催化剂体积计算

1.1 推导公式

参考火电烟气SCR 脱硝工程技术， 催化剂体积计算公式如下：

式中：V0为催化剂的推算体积；Q 为标准状态下的湿烟气量；η 为催化剂的脱硝效率；m 为理论氨氮摩尔比；k0为初始活性系数；β 为催化剂的几何比表面积。

1.2 参数的选取

Q 随玻璃生产线的产能增大而增大。在其他值不变的前提下，V0和Q 成正比关系，但式（1）中η、m、k0和β 的取值是随玻璃熔窑烟尘特性而改变的，所以V0和Q 不是简单的正比例关系。

η 可根据脱硝工程业主提供技术指标计算得来，业主所要求的脱硝效率越高，催化剂所需的体积数越大， 参照前面烟气参数及国家环保标准，脱硝效率取值一般在81%～93%之间。

m 的取值计算参考“华能导则”或“顾问导则”，计算公式如下：

式中：η 为脱硝效率；γa 为氨逃逸；CNO和CNO2分别烟气中NO 和NO2的浓度， 以NO 占NOx 的95%，NO2占NOx 的5%计算。玻璃环保标准要求的γa 为0.003‰，以此计算m=（η+0.01）～（η+0.03）。

k0代表的是催化剂的初始脱硝能力，玻璃熔窑脱硝催化剂的k0值一般为35～45。 理论上，k0值越大，所代表催化剂的脱硝能力越强，反之也成立。催化剂选型时，选取的k0值一般比理论值略微偏大，常规浮法玻璃熔窑脱硝工程k0取38。 调整k0的取值，可以合理控制催化剂体积的裕度。

β 值的大小受催化剂几何结构影响，理论上讲，催化剂β 越大，单位体积催化剂内烟气与催化剂表面接触的面积越大，越有利于催化反应的进行，进而提高催化效率。 但是，β 值越大，孔径越小，催化剂越容易堵塞。 目前玻璃熔窑SCR 脱硝一般放在除尘之后，粉尘浓度相对较小，催化剂孔数的选择一般为21～25 孔，根据目前使用情况，孔数选为22较为合理，此时对应的β 值为512 m2/m3。 β 值选取见表1。

表1 催化剂参数

2 催化剂运行参数评估

2.1 体积空速

体积空速描述的是烟气体积流量与SCR 反应器中催化剂体积的比值，反映了烟气在SCR 反应器内停留时间的长短。 根据定义其计算公式为：

实际上，Sv 的倒数所表达的是接触时间概念，是催化剂的重要性能参数，也是催化剂反应器的主要设计参数。 根据式（1）计算得V0，带入式（4）可得Q值，Q 值如在3 000～3 500(1/h)范围内，说明V0选取合理。

2.2 孔内风速

孔内风速代表气体流过催化剂孔道内的速度，它是决定反应器横截面面积和气体在反应区停留时间的重要参数。 其计算公式为：

式中：A 为反应器横截面积；n 为催化剂的孔隙率。考虑到玻璃熔窑烟气中粉尘粒度较细， 烟质较低，孔内流速一般要求偏高，取值一般在5.8～7.3 m/s 之间，孔内风速过低，容易造成堵塞，过大则磨损严重。 催化剂体积确定后，可通过孔内风速指标来验证催化剂选型是否合理。

2.3 面积速度

SCR 系统的面积速度描述的是烟气掠过催化剂表面的速度，其定义是单位时间内烟气体积与催化剂的几何表面积之比，是反映催化反应特征的一个参数。 其计算公式为：

烟气量一定时，面积速度Av越小，说明催化剂的几何表面积越大，对应的催化剂微孔数目增多，有利于反应器内催化反应的进行。它的取值为6～7 m/h，可通过控制面积速度微调所选取的催化剂体积。

3 工程应用实例分析

3.1 工况参数

以某新建600 t/d 浮法玻璃生产线烟气SCR脱硝工程为例， 表2 是该生产线的主要工况参数，由表1 中数据可计算η=91.18，带入公式（2）可计算出m=0.913 6。

表2 主要工况参数

3.2 催化剂体积计算

根据烟气特点，参考表1 选取催化剂的节距为6.75 mm，孔数为22×22 个，再参照市场上生产的标准催化剂参数（表3），可计算出β=511.96 m2/m3。参考1.2 中k0的选取，取k0=38，将η、m、β、k0带入公式（1）计算得：

V0=120 000×ln (1/(1-91.18/100×0.913 6))/(38×511.96)=36.82 m

3.3 参数校准与修正

表3 标准催化剂参数

表4 反应器设计参数

表5 催化剂运行参数

综合考虑催化剂的运行参数，采取合理的反应器内部布置形式（表4），最终的修正参数见表5，修正后k=37.55，V=37.26， 修正后的参数为选型的最终参数。

3.4 工程应用情况

该工程已于2014 年9 月开始投运， 并已通过国家环保部门的验收，项目运行正常，脱硝效率高达95%。

4 结语

催化剂的精确选型是一个十分复杂的过程，不同的工况参数， 催化剂的选型可能会有很大差别。本文的计算针对玻璃熔窑具有一定的符合性，对其他行业来说，仅具备参考价值。 由于玻璃熔窑脱硝催化剂的最早使用时间不足3 年，催化剂的衰减率很难统计和预算，本文的催化剂体积计算未考虑催化剂活性的衰减， 在收集后期催化剂衰减参数后，将总结衰减计算经验公式。