燃煤电厂蜂窝式SCR催化剂抗压临界值分析研究

庄 柯,黄 奎,姚 杰

(1.国电科学技术研究院，江苏 南京 210046；2.南京电力设备质量性能检验中心，江苏 南京 210046)

燃煤电厂蜂窝式SCR催化剂抗压临界值分析研究

庄 柯1,2,黄 奎1,2,姚 杰1,2

(1.国电科学技术研究院，江苏 南京 210046；2.南京电力设备质量性能检验中心，江苏 南京 210046)

选取18×18孔的蜂窝式SCR催化剂为试验对象，研究不同位移速率下的抗压值并提出科学的测量方法。结果表明：蜂窝式SCR催化剂抗压过程均可以划分为弹性形变和塑性应力形变两个过程，并指出以波动幅度较大的破碎值为试块的抗压机械性能的评价指标具有一定的干扰性，如：位移速率为0.2mm/min下的破碎值为62.41、61.49和59.23kN，再如：位移速率为2和20mm/min下试块的破碎值分别为82.57、76.37和77.02及83.79、75.42和77.03kN。同时，提出了蜂窝式SCR催化剂的弹性阈值的机理并计算出该种蜂窝式SCR催化剂的弹性阈值均在1.24～1.26kN范围内，波动幅度比较小，而且通过相对标准偏差的分析可以发现，阈值的相对标准偏差值分别为0.37%、0和0.37%，破碎值的相对标准偏差值为2.68%、4.36%和5.64%，分散程度严重，从而验证了以阈值为机械抗压性能的评价指标具有可行性及合理性。

蜂窝式催化剂；位移速率；破碎值；阈值

0 引言

基于环保的强压政策和NOx排放基准值的减小等环境现状，烟气脱硝系统的特性评价已引起高排放源的燃煤电厂的高度关注。对于一个完整的烟气脱硝系统，SCR催化剂是核心环节，其元素组成、含量及外观特性等工艺指标不仅直接影响烟气的脱硝效率和机械强度，而且也间接影响SCR催化剂的推广和应用。目前，商用的SCR催化剂以蜂窝式形状为主，是一种以TiO2为载体的烧结陶瓷，因此，在商品化经营的经济下，高排放源的燃煤电厂有必要加大对蜂窝式SCR催化剂的抗压强度值的检测。

蜂窝式SCR催化剂的抗压值是指一种在储运和安装过程中催化剂抵抗外力或者在脱硝系统中因抗拒烟气流动或涡流而产生的应力，从而保持其形状不发生变形的一种特性，是任何固体催化剂的一项基本性能指标，同时也是脱硝工艺、抗磨损强度等工业特性赖以发生的基础[1-3]。目前，针对抗压强度值的检测，国内外研究者主要集中在桥梁、水坝、房屋等建筑或水泥行业，如：朋改非、杨娟等研究粗骨料对超高性能混凝土抗压强度的影响[4]；范旗军、胡建兵等通过对比分析半块型砌块与主块型砌块对混凝土砌块的抗压强度值，研究尺寸对抗压强度值的影响关系[5]；刘新荣、李栋梁等利用酸性干湿循环对泥质砂岩强度特性试验剖析酸性干湿环境对抗压强度值的影响[6]；孟红霞、陈德春等研究落物的质量、高度、液体压缩系数等因素对岩石冲击开裂试验峰值压力和加压速率计算模型的影响[7]，而鲜有关于燃煤电厂的蜂窝式SCR催化剂的抗压强度值的检测文献。基于上述研究内容的缺陷或不足，本文根据国家标准《蜂窝式烟气脱硝催化剂》(GB/T31587-2015)和《火电厂烟气脱硝催化剂检测技术规范》(DL/T1286-2013)等标准方法[8-9]，通过设置不同位移速率的加压方式研究蜂窝式SCR催化剂的抗压临界值变化趋势，为高排放源的燃煤电厂的蜂窝式SCR催化剂检测提供一种检测依据，从而进一步完善燃煤电厂的蜂窝式SCR催化剂的检测标准方法。

1 抗压强度测试装置

本文所采用的蜂窝式SCR催化剂抗压强度测试装置如图1所示。试验装置电机采用脉冲控制技术，自动控制施加试验力直至试件在抗压夹具中破碎为止，此过程经柱式感应器感应施力并记录力与时间的对应数据，绘制力—时间的曲线(kN-T)。催化剂抗压临界值是衡量蜂窝式SCR催化剂机械性能的指标之一，抗压值越大，则表明催化剂的应力值越大，抗压强度越高，抗阻力性能越强。

图1 蜂窝式SCR催化剂抗压测试装置

2 蜂窝式SCR催化剂机械强度测试及分析

2.1试验方法

(1)试验材料选用18×18孔蜂窝式SCR催化剂、6mm的高岭棉或陶瓷纤维纸、游标卡尺和防护袋，蜂窝式SCR催化剂的主要化学成分分析如表1所示。

表1 蜂窝式SCR催化剂的化学成分 %

(2)试件制备首先选取试样结构完整且无裂纹的蜂窝式SCR催化剂若干，然后保证切割面平整光滑并与催化剂孔壁垂直，将其切割成150mm×150mm×100mm的试件9块，最后将切割好的试块按轴向方向装入塑料袋中封好，待用。

(3)试验条件基于同种抗压模拟系统和工况下，设置0.2、2、20mm/min的压板位移速率进行抗压试验。

(4)试验步骤如下：首先在抗压试验机的下压板上放置一块6mm的高岭棉，将试块置于高岭棉垫片上并在试块的顶部放置带有相同高岭棉的上压板，使将试块完全处于两压板的中心位置，然后开启抗压试验机并调节压板以0.2、2和20mm/min的位移速率连续均匀施加压力，直至试块完全破碎，重复3次试验，最后记录数据并计算试验结果。

2.2结果与分析

蜂窝式SCR催化剂在位移速率为0.2、2和20mm/min下的抗压值见图2～4。在不同的位移速率下，蜂窝式SCR催化剂内部结构形变过程基本一致，主要表现为弹性形变和塑性应力形变过程。

2.2.1 蜂窝式SCR催化剂的试验测量结果

图2～4分别展示的是在不同位移速率下的蜂窝式SCR催化剂抗压值-时间(kN-T)的示意图，表征了蜂窝式SCR在储运、安装和运行过程中的抗压值变化特征，同时，从图中可以获取蜂窝式SCR催化剂的瞬时抗压值。

从kN-T曲线可以看出，第一阶段为弹性形变阶段，该阶段是由于蜂窝式SCR催化剂受其材料内部晶体粒子间的显微的空隙结构变形的影响，通过图形可知，该过程的弹性抗压值范围为0～8.5kN，主要体现在粒子与粒子间空间位置的变动，从而完成蜂窝式SCR催化剂内部不同直径粒子间的空隙嵌合。在弹性形变阶段，当停止对催化剂试块施压，催化剂将恢复至原先状态，因此，弹性形变阶段也称为可恢复阶段，该阶段主要表现为粒子之间的静电引力作用。随着施压时间的增加，材料内部粒子的空间进一步被挤压，破坏了粒子之间的弹性阈值，粒子将相互接触并逐渐发生变形，同时伴随着催化剂试块的微型尺寸变化，若某一处的粒子发生脆性断裂时，催化剂将发生整体性坍塌，该过程称为塑性形变阶段，也称为不可恢复形变阶段。

图2 位移速率为0.2mm/min下的抗压值

图3 位移速率为2mm/min下的抗压值

图4 位移速率为20mm/min下的抗压值

在塑性形变阶段，通过图形分析可知，对于不同的位移速率，催化剂试块的破碎值不同。第一组试验中，当位移速率分别为0.2、2和20mm/min时，催化剂的破碎值为62.41、82.57和83.79kN，即使在同一种位移速率下，催化剂试块的破碎值也均不相同，如当位移速率为2mm/min时，催化剂的破碎值为82.57、76.37和77.02kN，因此，在一般情况下，蜂窝式SCR催化剂破碎临界值作为抗压机械特性指标参数值是一种不科学的测量数值。

2.2.2 蜂窝式SCR催化剂抗压值的机理分析

通过上述结果分析可知，蜂窝式SCR催化剂在抗压过程中分为弹性形变和塑性应力形变两个过程，为了进一步寻找蜂窝式SCR催化剂在抗压过程中由弹性形变转化为塑性应力形变的过渡点，现对弹性形变过程中某一代表性曲线进行线性拟合，拟合的直线为设为f1，对塑性应力形变过程中破碎值处的曲线进行线性拟合，拟合的直线设为f2，两条直线相交，此点即为过渡点，也称为弹性形变阈值，如图5。利用图5的机理分析，对图2～4中的抗压曲线进行拟合，拟合的直线如表2。

图5 蜂窝式SCR催化剂抗压值的机理分析

表2 不同位移速率下抗压过程的拟合直线表

表2表征了不同位移速率下蜂窝式SCR催化剂在抗压过程中弹性形变与塑性形变的拟合直线。通过表2分析可以看出，在不同的位移速率下，蜂窝式SCR催化剂的弹性阈值的波动幅度比较小，阈值范围为1.24～1.26kN，拟合直线的拟合系数R2在98.5%以上，具有较高的可信度，对于相同元素组成、含量及外观的蜂窝式SCR催化剂，其弹性阈值均值为1.25kN。为了进一步评价蜂窝式SCR催化剂的阈值较破碎值具有更优的可靠性与可行性，现对破碎值与阈值进行相对标准偏差分析，结果如表3所示。

表3 蜂窝式SCR催化剂抗压值的误差分析

分析表3可知，在相同位移速率下，破碎值的波动幅度较阈值大，如：当位移速率为2mm/min时，破碎值的相对标准偏差值为4.36%，而阈值的相对标准偏差值为0，此外，在不同位移速率下，阈值的相对标准偏差值为0.48%，变异系数较小，而破碎值的相对标准偏差值为12.77%，变异程度严重。因此，蜂窝式SCR催化剂阈值作为抗压机械特性指标参数值是一种科学合理的测量数值。

4 结论与展望

4.1结论

选取18×18孔的蜂窝式SCR催化剂为试验对象，研究不同位移速率下的抗压机械强度性能并提出合理的测量方法。在不同位移速率下，蜂窝式SCR催化剂在抗压过程中均可以划分为弹性形变和塑性应力形变两个过程；在相同位移速率下蜂窝式SCR催化剂的抗压破碎值均不同，并且具有较大的波动幅度，如：位移速率为20mm/min时，破碎值为83.79、75.42和77.02kN，从而影响催化剂的抗压机械性能的评估特性；基于破碎值为机械性能强度评估的不科学性，提出蜂窝式SCR催化剂的弹性阈值的计算原理。通过计算不同位移速率下抗压阈值的结果表明该试块的阈值均值为1.25kN，波动幅度小，通过相对标准误差分析可知，与破碎值的相对标准偏差相比，其阈值的变异程度小。因此，对于相同元素组成、含量及外观特性的蜂窝式SCR催化剂，以弹性阈值为蜂窝式SCR催化剂的抗压机械性能评价指标更具有科学性。

4.2展望

为了验证试验结果的可靠性及分析理论的合理性，接下来设计一种在恒定位移速率下进行重复且不破碎性的实验，即：设定一个恒定的位移速率，利用该系统进行施压操作，当蜂窝式SCR催化剂变形值不超过其破碎值时，断开试验机，停止施压，一段时间后再对该试件进行施压，循环多次试验，探索蜂窝式SCR催化剂的阈值大小。

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Study on critical value of honeycomb type SCR catalyst in coal-fired power plant

Honeycomb type SCR catalyst with 18×18 holes was selected as the experimental object,the compressive value was studied at the different displacement rate and the scientific measurement method was put forward．The experimental results show that the compressive process of honeycomb SCR catalysts could be divided into elastic deformation process and plastic deformation process,and then crushing value with a large fluctuation range for the evaluation index of compressive mechanical properties is unfeasible．such as,the crushing value at the displacement rate of 0.2mm/min is 62.41，61.49 and 59.23kN．For another example，the crushing value at the displacement rates of 2mm/min and 20mm/min are82.57，76.37,77.02 and 83.79,75.42，77.03kN．At the same time，the elastic mechanism of honeycomb SCR catalysts is researched and value of elastic threshold is 1.24～1.26kN which ranged in a small fluctuations,what's more,through the analysis of relative standard deviation,we could know that the relative standard deviation about threshold value with0.37%,0and 0.37%,the relative standard deviation about crushingvalue with 2.68%,4.36% and 5.64%,which dispersed seriously,so that he feasibility and rationality of mechanical compression performance about threshold value are verified．

honeycomb type SCR catalyst; compressive displacement rate; crushing value; elastic threshold value

环保公益性行业科研项目(2016YFC0208102)；国家重点研发计划项目

X701.7

：B

：1674-8069(2017)04-018-04

2017-02-19；

：2017-04-22

庄 柯(1980-)，男，江苏南京人，总工程师，研究方向为脱硝催化剂性能评价。E-mail：hk2216@126.com