烟气脱硝实验教学平台的搭建

2015-05-03林日亿刘晴雨杨景珊胡英茂

实验技术与管理 2015年11期

姜烨，林日亿，刘晴雨，杨景珊，胡英茂

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，山东青岛 266580）

随着我国经济的持续快速发展，以煤炭为主的能源消耗大幅攀升，导致氮氧化物（NOx）排放量巨大。NOx可以引发酸雨、光化学烟雾和灰霾等污染问题，NOx的减排迫在眉睫。以NH3为还原剂、V2O5/TiO2基氧化物为催化剂的选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）烟气脱硝技术，因其脱硝率高、技术成熟、运行可靠而被广泛应用于环保要求高的国家。火电行业是我国NOx主要的排放源［1］。截至2013年底，我国已投运火电厂烟气脱硝机组容量约4.3亿千瓦，占全国现役火电机组容量的50%，脱硝设备剩余安装改造空间较大［2］。尽管目前工业化应用的V2O5/TiO2基催化剂表现出良好的脱硝性能，但是其活性组分V2O5具有生物毒性，因而钒基催化剂的淘汰只是时间问题［3］。目前，我校能源与动力工程专业学生对烟气脱硝知识的学习主要是通过专业必修课“工程燃烧学”和专业限选课“洁净煤燃烧发电技术”两门课程。通过这两门课程的学习，学生能够基本掌握氮氧化物的生成机理、SCR烟气脱硝原理和工艺过程等相关理论知识，但是缺少烟气脱硝系统及相关实验。实验教学对于培养学生的工程实践能力、创新能力和科研能力具有不可替代的作用［4－6］，是培养创新型人才的有效途径［7］。因此，亟需构建烟气脱硝实验教学平台，帮助学生更好地掌握烟气脱硝的工艺过程、反应机理以及影响脱硝效率的主要因素，为学生自行设计实验，探索烟气脱硝的规律和方法。这对培养学生自主学习、自主实验和自主创新能力、加强学生的科研能力和工程实践能力、促进烟气脱硝技术的发展具有重要的意义。

1 烟气脱硝实验教学平台建设方案

1.1 烟气脱硝实验教学平台的构成

火电厂SCR烟气脱硝系统主要由反应器、催化剂和氨储存及喷射系统组成［8］。

催化剂是SCR脱硝反应的核心，其性能直接影响SCR系统的整体脱硝效果。催化剂的性能主要取决于其化学组成和物理结构，与制备的方法也密不可分［9］。在催化剂的制备过程中，通过改变催化剂的组成、制备方法和制备条件，使学生熟悉催化剂的制备工艺和过程，也为学生自主设计催化剂奠定一定的基础。

反应器是SCR脱硝反应的场所，烟气在反应器内自上而下流经催化剂。反应器内烟气的温度、流动速度、组分等对SCR系统的脱硝效率影响很大。由反应器、模拟烟气、还原剂NH3、烟气分析仪、连接管线等组成烟气脱硝系统实验台，可以使学生直观地认识烟气脱硝的工艺过程，掌握相关仪器设备的操作，分析烟气脱硝过程的现象和规律。因此，本研究中烟气脱硝实验教学平台由催化剂制备平台和烟气脱硝系统实验台两部分组成。

1.2 催化剂制备平台

1.2.1 试剂与仪器

试剂的选择取决于催化剂的组成和制备方法。以浸渍法制备V2O5/TiO2催化剂为例，需要的试剂为：纳米级二氧化钛（法国 Millennium Inorganic Chemicals Inc.）、偏钒酸铵（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、草酸（分析纯，上海美兴化工有限公司）。

仪器：高精度电子天平（德国Sartorius公司）、磁力搅拌器（杭州仪表电机有限公司）、数显鼓风干燥箱（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）、箱式电阻炉（上海意丰电炉有限公司）、真空泵（天津奥特赛恩斯仪器有限公司）、超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）、水浴锅（杭州蓝天化验仪器厂）、PH 计（瑞士Mettler公司）、蠕动泵（保定兰格恒流泵有限公司）。

1.2.2 制备方法

催化剂的制备方法很多，常用的方法有浸渍法、沉淀法、共混合法、溶胶－凝胶法等。以浸渍法制备V2O5/TiO2催化剂为例，具体过程为：

（1）称取一定量的TiO2，按照TiO2的吸水率加入催化剂前驱体水溶液等体积浸渍。催化剂前驱体水溶液是按照偏钒酸铵和草酸物质的量之比为1∶2配置的混合水溶液，V2O5在催化剂中的负载量由偏钒酸铵在该溶液中的浓度来调节。

（2）混合物超声振荡30min，室温下静置24h，110℃干燥12h，500℃焙烧5h后，得到V2O5/TiO2催化剂。

此外，学生还可查阅文献资料，自行设计催化剂，采用不同方法制备不同配方的催化剂。

1.3 烟气脱硝系统实验台

烟气脱硝实验系统由烟气模拟系统、氨喷射系统、催化反应系统、烟气分析测试系统4部分组成，实验系统流程如图1所示。

图1 烟气脱硝实验系统流程图

1.3.1 烟气模拟系统

燃煤烟气主要包括 N2、O2、NOx、SO2、CO2、H2O等成分。考虑到燃煤烟气中NOx主要以NO和NO2的形式存在，其中NO占NOx总量的90%～95%［10］，因此本系统用NO代替NOx。各种模拟烟气成分（除H2O外）由钢瓶气来配制，NO和SO2由浓度为4%的标准气体（N2为平衡气，杭州新世纪混合气体有限公司）供给，N2、O2和 CO2由纯度为99.999%的纯气（青岛天源气体有限公司）供给。各气体的流量由质量流量计（北京七星华创电子股份有限公司）控制，所有质量流量计均经过皂膜流量计校准。模拟烟气中的水蒸气通过调节微量注射泵（浙江浙大医学仪器有限公司）的注射量将去离子水注入加热管路汽化来实现。

1.3.2 氨（NH3）喷射系统

还原剂NH3由钢瓶气供给，钢瓶气是浓度为4%的标准气体（N2为平衡气，杭州新世纪混合气体有限公司），由质量流量计对NH3进行控制和调节。为了避免SO2与NH3、O2反应生成（亚）硫酸铵盐，还原剂NH3直接由SCR反应器入口处加入，而且在SCR反应器入口前混合气管路采用加热带加热。

1.3.3 催化反应系统

SCR反应器采用自制的连续流固定床石英管式反应器，内径为8mm，长度为500mm。反应器采用管式电炉（杭州蓝天化验仪器厂）加热，温度由插入催化剂床层的K型热电偶（外径1mm）测量，并由可编程温度控制仪程序控制，温控仪的精度为±1℃。在反应器中部装有蜂窝陶瓷支撑体，用于固定催化剂床层和热电偶。催化剂上铺有石英棉，用惰性填充物（玻璃珠）填满催化剂上方空间，起到预热气体的作用，这样气体温度变化小，能够提高实验的效率。管式电炉的两端采用石棉塞紧，防止热量散失导致温度测量的不准确。

1.3.4 烟气分析测试系统

模拟烟气及反应后气体成分的分析工作采用德国Testo公司制造的350Pro多组分气体分析仪进行，该气体分析仪可以同时测量 O2、NO、NO2、CO2、SO2的浓度。为了防止SCR反应后逃逸的NH3对气体分析仪中各测量模块造成影响，气体在进入气体分析仪分析之前要经浓硫酸洗涤以除去NH3。

2 教学实验项目设计

针对能源与动力工程专业在烟气脱硝技术方面对实践创新复合型人才的培养需求，从演示性实验、验证性实验和创新性实验3方面搭建了烟气脱硝实验教学平台，可以实现以下主要实验。

（1）SCR烟气脱硝工艺的认识实验。通过对SCR烟气脱硝系统中各组件的组装和管路的连接，熟悉SCR烟气脱硝工艺过程，了解和实际操作关于气体计量、温度可编程控制、烟气成分分析等仪器设备，对固定床反应器的结构和使用有更直观的认识，为后续的学习和工作打下基础。

（2）催化剂的制备实验。以V2O5/TiO2催化剂为例，通过改变活性组分V2O5在催化剂中的负载量、采用不同性质的TiO2载体、通过不同的煅烧温度和煅烧时间、添加过渡金属等方式制备V2O5/TiO2基催化剂，基本掌握催化剂的制备方法和相关设备的使用方法。

（3）制备参数对催化剂脱硝性能影响的实验。在一定烟气条件下，研究载体性质、煅烧条件、活性组分担载量、过渡金属掺杂等制备参数与催化剂烟气脱硝性能的内在联系。

（4）操作条件对催化剂脱硝性能影响的实验。研究反应温度、空速、［NH3］/［NO］等对催化剂脱硝性能的影响规律。

（5）烟气组分对催化剂脱硝性能影响的实验。对于参加SCR反应的气体（NO、NH3、O2），设计暂态响应实验，研究其在SCR反应中的作用，研究H2O和SO2在不同浓度和温度条件下对催化剂烟气脱硝性能的影响规律。

（6）反应动力学实验。通过该实验，可以得到催化剂上进行SCR反应所需的活化能，这是检验催化剂性能的一个重要参数。还可以明确催化剂上SCR反应速率与NO、NH3以及O2含量之间的关系，了解催化剂上的SCR反应机理。

3 烟气脱硝实验教学平台功能的多元化

学生在烟气脱硝工艺过程、催化剂的制备以及催化剂烟气脱硝性能测试和影响因素分析等多层次的综合实验训练中，完成综合应用技能的强化和研究方法的训练。更重要的是，学生可以自主选择实验项目、自主设计实验方案、自行开展实验，观察和研究烟气脱硝过程的规律和现象。这样，既保证理论教学演示性和验证性实验的开设，又满足创新性、设计性和综合性实验的需求，对于学生的实践能力、创新能力和综合素质的提高具有重要的意义。

烟气脱硝实验教学平台可满足本科生毕业设计和创新创业训练的需要。结合目前烟气脱硝工程在我国环保领域应用中所遇到的问题和SCR催化剂向环境友好发展的趋势，学生可自主查阅文献，利用烟气脱硝实验教学平台自主选择或者在教师的指导下选择研究项目，完成研究、设计和实验。这为学生提供了一个从理论走向实践的平台，有助于提升学生在烟气脱硝领域的创新实践能力。

烟气脱硝实验教学平台还可满足科学研究和科技创新的需要，实现教学和科研的紧密结合。烟气脱硝实验教学平台可为催化剂的制备、催化剂的活性评价及反应动力学分析提供相关设备、装置和仪器，可进行新型无钒脱硝催化剂、同时脱硫脱硝催化剂、低温脱硝催化剂等方面的研究。将科研的方法引入实验教学中，部分科研成果也可转化为本科实验教学内容，实现实验室资源的有效整合［4，11－12］。