莊 柯,黃 奎,姚 杰

(1.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210046；2.南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗(yàn)中心，江蘇 南京 210046)

燃煤電廠蜂窩式SCR催化劑抗壓臨界值分析研究

莊 柯1,2,黃 奎1,2,姚 杰1,2

(1.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇 南京 210046；2.南京電力設(shè)備質(zhì)量性能檢驗(yàn)中心，江蘇 南京 210046)

選取18×18孔的蜂窩式SCR催化劑為試驗(yàn)對(duì)象，研究不同位移速率下的抗壓值并提出科學(xué)的測(cè)量方法。結(jié)果表明：蜂窩式SCR催化劑抗壓過程均可以劃分為彈性形變和塑性應(yīng)力形變兩個(gè)過程，并指出以波動(dòng)幅度較大的破碎值為試塊的抗壓機(jī)械性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的干擾性，如：位移速率為0.2mm/min下的破碎值為62.41、61.49和59.23kN，再如：位移速率為2和20mm/min下試塊的破碎值分別為82.57、76.37和77.02及83.79、75.42和77.03kN。同時(shí)，提出了蜂窩式SCR催化劑的彈性閾值的機(jī)理并計(jì)算出該種蜂窩式SCR催化劑的彈性閾值均在1.24～1.26kN范圍內(nèi)，波動(dòng)幅度比較小，而且通過相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的分析可以發(fā)現(xiàn)，閾值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值分別為0.37%、0和0.37%，破碎值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值為2.68%、4.36%和5.64%，分散程度嚴(yán)重，從而驗(yàn)證了以閾值為機(jī)械抗壓性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有可行性及合理性。

蜂窩式催化劑；位移速率；破碎值；閾值

0 引言

基于環(huán)保的強(qiáng)壓政策和NOx排放基準(zhǔn)值的減小等環(huán)境現(xiàn)狀，煙氣脫硝系統(tǒng)的特性評(píng)價(jià)已引起高排放源的燃煤電廠的高度關(guān)注。對(duì)于一個(gè)完整的煙氣脫硝系統(tǒng)，SCR催化劑是核心環(huán)節(jié)，其元素組成、含量及外觀特性等工藝指標(biāo)不僅直接影響煙氣的脫硝效率和機(jī)械強(qiáng)度，而且也間接影響SCR催化劑的推廣和應(yīng)用。目前，商用的SCR催化劑以蜂窩式形狀為主，是一種以TiO2為載體的燒結(jié)陶瓷，因此，在商品化經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)下，高排放源的燃煤電廠有必要加大對(duì)蜂窩式SCR催化劑的抗壓強(qiáng)度值的檢測(cè)。

蜂窩式SCR催化劑的抗壓值是指一種在儲(chǔ)運(yùn)和安裝過程中催化劑抵抗外力或者在脫硝系統(tǒng)中因抗拒煙氣流動(dòng)或渦流而產(chǎn)生的應(yīng)力，從而保持其形狀不發(fā)生變形的一種特性，是任何固體催化劑的一項(xiàng)基本性能指標(biāo)，同時(shí)也是脫硝工藝、抗磨損強(qiáng)度等工業(yè)特性賴以發(fā)生的基礎(chǔ)[1-3]。目前，針對(duì)抗壓強(qiáng)度值的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究者主要集中在橋梁、水壩、房屋等建筑或水泥行業(yè)，如：朋改非、楊娟等研究粗骨料對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度的影響[4]；范旗軍、胡建兵等通過對(duì)比分析半塊型砌塊與主塊型砌塊對(duì)混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度值，研究尺寸對(duì)抗壓強(qiáng)度值的影響關(guān)系[5]；劉新榮、李棟梁等利用酸性干濕循環(huán)對(duì)泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度特性試驗(yàn)剖析酸性干濕環(huán)境對(duì)抗壓強(qiáng)度值的影響[6]；孟紅霞、陳德春等研究落物的質(zhì)量、高度、液體壓縮系數(shù)等因素對(duì)巖石沖擊開裂試驗(yàn)峰值壓力和加壓速率計(jì)算模型的影響[7]，而鮮有關(guān)于燃煤電廠的蜂窩式SCR催化劑的抗壓強(qiáng)度值的檢測(cè)文獻(xiàn)?；谏鲜鲅芯?jī)?nèi)容的缺陷或不足，本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《蜂窩式煙氣脫硝催化劑》(GB/T31587-2015)和《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DL/T1286-2013)等標(biāo)準(zhǔn)方法[8-9]，通過設(shè)置不同位移速率的加壓方式研究蜂窩式SCR催化劑的抗壓臨界值變化趨勢(shì)，為高排放源的燃煤電廠的蜂窩式SCR催化劑檢測(cè)提供一種檢測(cè)依據(jù)，從而進(jìn)一步完善燃煤電廠的蜂窩式SCR催化劑的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法。

1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試裝置

本文所采用的蜂窩式SCR催化劑抗壓強(qiáng)度測(cè)試裝置如圖1所示。試驗(yàn)裝置電機(jī)采用脈沖控制技術(shù)，自動(dòng)控制施加試驗(yàn)力直至試件在抗壓夾具中破碎為止，此過程經(jīng)柱式感應(yīng)器感應(yīng)施力并記錄力與時(shí)間的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，繪制力—時(shí)間的曲線(kN-T)。催化劑抗壓臨界值是衡量蜂窩式SCR催化劑機(jī)械性能的指標(biāo)之一，抗壓值越大，則表明催化劑的應(yīng)力值越大，抗壓強(qiáng)度越高，抗阻力性能越強(qiáng)。

圖1 蜂窩式SCR催化劑抗壓測(cè)試裝置

2 蜂窩式SCR催化劑機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試及分析

2.1試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)材料選用18×18孔蜂窩式SCR催化劑、6mm的高嶺棉或陶瓷纖維紙、游標(biāo)卡尺和防護(hù)袋，蜂窩式SCR催化劑的主要化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 蜂窩式SCR催化劑的化學(xué)成分 %

(2)試件制備首先選取試樣結(jié)構(gòu)完整且無裂紋的蜂窩式SCR催化劑若干，然后保證切割面平整光滑并與催化劑孔壁垂直，將其切割成150mm×150mm×100mm的試件9塊，最后將切割好的試塊按軸向方向裝入塑料袋中封好，待用。

(3)試驗(yàn)條件基于同種抗壓模擬系統(tǒng)和工況下，設(shè)置0.2、2、20mm/min的壓板位移速率進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

(4)試驗(yàn)步驟如下：首先在抗壓試驗(yàn)機(jī)的下壓板上放置一塊6mm的高嶺棉，將試塊置于高嶺棉墊片上并在試塊的頂部放置帶有相同高嶺棉的上壓板，使將試塊完全處于兩壓板的中心位置，然后開啟抗壓試驗(yàn)機(jī)并調(diào)節(jié)壓板以0.2、2和20mm/min的位移速率連續(xù)均勻施加壓力，直至試塊完全破碎，重復(fù)3次試驗(yàn)，最后記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果。

2.2結(jié)果與分析

蜂窩式SCR催化劑在位移速率為0.2、2和20mm/min下的抗壓值見圖2～4。在不同的位移速率下，蜂窩式SCR催化劑內(nèi)部結(jié)構(gòu)形變過程基本一致，主要表現(xiàn)為彈性形變和塑性應(yīng)力形變過程。

2.2.1 蜂窩式SCR催化劑的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖2～4分別展示的是在不同位移速率下的蜂窩式SCR催化劑抗壓值-時(shí)間(kN-T)的示意圖，表征了蜂窩式SCR在儲(chǔ)運(yùn)、安裝和運(yùn)行過程中的抗壓值變化特征，同時(shí)，從圖中可以獲取蜂窩式SCR催化劑的瞬時(shí)抗壓值。

從kN-T曲線可以看出，第一階段為彈性形變階段，該階段是由于蜂窩式SCR催化劑受其材料內(nèi)部晶體粒子間的顯微的空隙結(jié)構(gòu)變形的影響，通過圖形可知，該過程的彈性抗壓值范圍為0～8.5kN，主要體現(xiàn)在粒子與粒子間空間位置的變動(dòng)，從而完成蜂窩式SCR催化劑內(nèi)部不同直徑粒子間的空隙嵌合。在彈性形變階段，當(dāng)停止對(duì)催化劑試塊施壓，催化劑將恢復(fù)至原先狀態(tài)，因此，彈性形變階段也稱為可恢復(fù)階段，該階段主要表現(xiàn)為粒子之間的靜電引力作用。隨著施壓時(shí)間的增加，材料內(nèi)部粒子的空間進(jìn)一步被擠壓，破壞了粒子之間的彈性閾值，粒子將相互接觸并逐漸發(fā)生變形，同時(shí)伴隨著催化劑試塊的微型尺寸變化，若某一處的粒子發(fā)生脆性斷裂時(shí)，催化劑將發(fā)生整體性坍塌，該過程稱為塑性形變階段，也稱為不可恢復(fù)形變階段。

圖2 位移速率為0.2mm/min下的抗壓值

圖3 位移速率為2mm/min下的抗壓值

圖4 位移速率為20mm/min下的抗壓值

在塑性形變階段，通過圖形分析可知，對(duì)于不同的位移速率，催化劑試塊的破碎值不同。第一組試驗(yàn)中，當(dāng)位移速率分別為0.2、2和20mm/min時(shí)，催化劑的破碎值為62.41、82.57和83.79kN，即使在同一種位移速率下，催化劑試塊的破碎值也均不相同，如當(dāng)位移速率為2mm/min時(shí)，催化劑的破碎值為82.57、76.37和77.02kN，因此，在一般情況下，蜂窩式SCR催化劑破碎臨界值作為抗壓機(jī)械特性指標(biāo)參數(shù)值是一種不科學(xué)的測(cè)量數(shù)值。

2.2.2 蜂窩式SCR催化劑抗壓值的機(jī)理分析

通過上述結(jié)果分析可知，蜂窩式SCR催化劑在抗壓過程中分為彈性形變和塑性應(yīng)力形變兩個(gè)過程，為了進(jìn)一步尋找蜂窩式SCR催化劑在抗壓過程中由彈性形變轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)力形變的過渡點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)彈性形變過程中某一代表性曲線進(jìn)行線性擬合，擬合的直線為設(shè)為f1，對(duì)塑性應(yīng)力形變過程中破碎值處的曲線進(jìn)行線性擬合，擬合的直線設(shè)為f2，兩條直線相交，此點(diǎn)即為過渡點(diǎn)，也稱為彈性形變閾值，如圖5。利用圖5的機(jī)理分析，對(duì)圖2～4中的抗壓曲線進(jìn)行擬合，擬合的直線如表2。

圖5 蜂窩式SCR催化劑抗壓值的機(jī)理分析

表2 不同位移速率下抗壓過程的擬合直線表

表2表征了不同位移速率下蜂窩式SCR催化劑在抗壓過程中彈性形變與塑性形變的擬合直線。通過表2分析可以看出，在不同的位移速率下，蜂窩式SCR催化劑的彈性閾值的波動(dòng)幅度比較小，閾值范圍為1.24～1.26kN，擬合直線的擬合系數(shù)R2在98.5%以上，具有較高的可信度，對(duì)于相同元素組成、含量及外觀的蜂窩式SCR催化劑，其彈性閾值均值為1.25kN。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)蜂窩式SCR催化劑的閾值較破碎值具有更優(yōu)的可靠性與可行性，現(xiàn)對(duì)破碎值與閾值進(jìn)行相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分析，結(jié)果如表3所示。

表3 蜂窩式SCR催化劑抗壓值的誤差分析

分析表3可知，在相同位移速率下，破碎值的波動(dòng)幅度較閾值大，如：當(dāng)位移速率為2mm/min時(shí)，破碎值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值為4.36%，而閾值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0，此外，在不同位移速率下，閾值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值為0.48%，變異系數(shù)較小，而破碎值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值為12.77%，變異程度嚴(yán)重。因此，蜂窩式SCR催化劑閾值作為抗壓機(jī)械特性指標(biāo)參數(shù)值是一種科學(xué)合理的測(cè)量數(shù)值。

4 結(jié)論與展望

4.1結(jié)論

選取18×18孔的蜂窩式SCR催化劑為試驗(yàn)對(duì)象，研究不同位移速率下的抗壓機(jī)械強(qiáng)度性能并提出合理的測(cè)量方法。在不同位移速率下，蜂窩式SCR催化劑在抗壓過程中均可以劃分為彈性形變和塑性應(yīng)力形變兩個(gè)過程；在相同位移速率下蜂窩式SCR催化劑的抗壓破碎值均不同，并且具有較大的波動(dòng)幅度，如：位移速率為20mm/min時(shí)，破碎值為83.79、75.42和77.02kN，從而影響催化劑的抗壓機(jī)械性能的評(píng)估特性；基于破碎值為機(jī)械性能強(qiáng)度評(píng)估的不科學(xué)性，提出蜂窩式SCR催化劑的彈性閾值的計(jì)算原理。通過計(jì)算不同位移速率下抗壓閾值的結(jié)果表明該試塊的閾值均值為1.25kN，波動(dòng)幅度小，通過相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差分析可知，與破碎值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相比，其閾值的變異程度小。因此，對(duì)于相同元素組成、含量及外觀特性的蜂窩式SCR催化劑，以彈性閾值為蜂窩式SCR催化劑的抗壓機(jī)械性能評(píng)價(jià)指標(biāo)更具有科學(xué)性。

4.2展望

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性及分析理論的合理性，接下來設(shè)計(jì)一種在恒定位移速率下進(jìn)行重復(fù)且不破碎性的實(shí)驗(yàn)，即：設(shè)定一個(gè)恒定的位移速率，利用該系統(tǒng)進(jìn)行施壓操作，當(dāng)蜂窩式SCR催化劑變形值不超過其破碎值時(shí)，斷開試驗(yàn)機(jī)，停止施壓，一段時(shí)間后再對(duì)該試件進(jìn)行施壓，循環(huán)多次試驗(yàn)，探索蜂窩式SCR催化劑的閾值大小。

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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

環(huán)保公益性行業(yè)科研項(xiàng)目(2016YFC0208102)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目

X701.7

：B

：1674-8069(2017)04-018-04

2017-02-19；

：2017-04-22

莊 柯(1980-)，男，江蘇南京人，總工程師，研究方向?yàn)槊撓醮呋瘎┬阅茉u(píng)價(jià)。E-mail：hk2216@126.com