SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置。

背景技术：

在煤燃烧过程中，煤中的汞除很少一部分随炉渣排出外，约90％以上的汞以颗粒态汞(Hg^p)、氧化态汞(Hg²⁺)和单质态汞(Hg⁰)的形式存在于烟气中。烟气通过常规烟气处理设备时，Hg²⁺由于其水溶性较好，其大部分可被湿法洗涤系统捕获而脱除；大部分的Hg^p可被除尘器捕获而去除；但Hg⁰具有极强的挥发性和难水溶性，难以脱除，且由于其在烟气中占比较大，导致燃煤电厂现有污染物控制装置对总汞的脱除效率较低。因此，如何将Hg⁰转化为易脱除的Hg²⁺和Hg^p是提高燃煤电厂现有污染物控制设备协同高效脱汞的前提和研究重点。

研究表明，燃煤电厂SCR系统确实能够促进单质汞的氧化。其脱除的原理主要是SCR系统中催化剂能在一定程度上催化氧化单质汞(Hg⁰)而转化为氧化态的二价汞(Hg²⁺)，从而更多的二价汞(Hg²⁺)能够被后续的脱硫装置(如湿法脱硫装置，WFGD)脱除，从而降低了排放到空气中的汞污染。

现有SCR催化剂中的V2O5对单质汞有氧化作用，但SCR催化剂活性中心位有限，氧化作用有限。此外，它还存在催化反应温度窗口狭窄，长期暴露于高浓度飞灰及SO2环境下容易中毒失效等缺点。因此研究开发具有低温脱硝活性，同时脱汞效率高的SCR催化剂将是下步研究工作的重点方向。

现有的SCR脱硝催化剂性能试验装置由于原始设计意图有其自身的结构特点，存在不能完全模拟真实烟气成分、无法评价新型催化剂性能等缺点，如公告日为2017年2月15日，公告号为CN205948624U的中国专利中，公开了一种工业烟气干式低温协同除尘脱硫脱硝除汞一体化装置，采用先脱硫除尘再去除氮氧化物及汞，以实现低温SCR催化剂可循环利用，避免粉尘对催化剂的磨损，防止低温SCR催化剂将二氧化硫氧化成三氧化硫，进而防止氧化成的三氧化硫与氨反应生成硫酸铵会在烟气温度低于230摄氏度情形下凝结成黏性物质影响低温脱硝效率。因此需要实用新型一种新型的SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置，以满足SCR脱硝低温催化剂、SCR脱硝脱汞一体化催化剂的试验研究工作需求。用于催化剂的质量控制、已使用催化剂的寿命考评，也可用于催化剂运行条件的研究和新催化剂开发研究工作。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，满足SCR脱硝低温催化剂、SCR脱硝脱汞一体化催化剂试验研究工作需求的SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置。

本实用新型可以对不同制备方法、不同组分、不同负载含量的催化剂样品进行脱除Hg⁰的性能测试；研究不同反应温度对催化剂汞氧化性能的影响；模拟烟气组分对催化剂汞氧化性能的影响；根据对SCR催化剂在氧化脱除烟气中Hg⁰的活性测试结果评价样品催化剂性能。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置的结构特点在于：包括汞蒸发系统、SO2输入单元、氨气输入单元、CO2输入单元、O2输入单元、氮气输入单元、NO输入单元、蠕动泵、蒸发瓶、预混合器、预热缓冲罐、进口管路烟气分析仪、进口管路汞测试仪、出口管路烟气分析仪、出口管路汞测试仪、流量计、催化反应器和冰浴装置，所述蠕动泵和蒸发瓶连接，所述汞蒸发系统、SO2输入单元、氨气输入单元、CO2输入单元、O2输入单元、氮气输入单元、NO输入单元和蒸发瓶均与预混合器连接，所述预混合器和预热缓冲罐连接，所述预热缓冲罐和流量计连接，所述流量计分别与进口管路烟气分析仪和进口管路汞测试仪连接，所述进口管路烟气分析仪和进口管路汞测试仪均与催化反应器连接，所述催化反应器和冰浴装置连接，所述冰浴装置分别与出口管路烟气分析仪和出口管路汞测试仪连接。

作为优选，本实用新型所述汞蒸发系统包括汞渗透管、恒温水浴锅和氮气承载输送单元，所述汞渗透管置于恒温水浴锅内，所述氮气承载输送单元和汞渗透管连接。

作为优选，本实用新型所述SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置还包括尾气处理装置和风机，所述出口管路烟气分析仪和出口管路汞测试仪均与尾气处理装置连接，所述尾气处理装置和风机连接。

作为优选，本实用新型所述汞蒸发系统与蒸发瓶通过管道连接，该管道上设置有电磁流量调节阀。

作为优选，本实用新型所述进口管路烟气分析仪、进口管路汞测试仪、出口管路烟气分析仪和出口管路汞测试仪均为在线分析仪结构。

作为优选，本实用新型所述催化反应器的出口处设置有取样口。

作为优选，本实用新型所述催化反应器包括管式炉和石英反应器，所述石英反应器置于管式炉内，该石英反应器呈垂直地面的方向放置，所述石英反应器的管中央填塞石英棉作为催化剂的支撑床。

一种SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置的试验方法，其特征在于：所述试验方法的步骤如下：

(1)将所需试验的催化剂样品放入催化反应器内，打开氮气输入单元，让SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置内充满N2；

(2)装置气密性检测；试验前应进行装置气密性检测，检测合格后再进行试验；

(3)打开催化反应器的加热装置、预热缓冲罐的加热装置、蒸发瓶的加热装置、恒温水浴锅和冰浴装置，使SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置达到设定温度；

(4)当催化反应器的入口温度、出口温度均达到设定值时，依次打开O2输入单元、NO输入单元、SO2输入单元和汞蒸发系统，启动蠕动泵将水直接注入蒸发瓶中蒸发产生水蒸气，水蒸气含量通过控制蠕动泵的水量以达到设定值；N2、O2、NO、SO2、汞、气态水在预混合器中初步混合，然后再进入预热缓冲罐，使气体混合均匀，得到混合气体；

(5)混合气体在压力作用下经过流量计进入催化反应器，在催化反应器内反应后从催化反应器的下部排出；当温度均达到设定值时，打开进口管路烟气分析仪、进口管路汞测试仪、出口管路烟气分析仪和出口管路汞测试仪，模拟烟气进入进口管路烟气分析仪、进口管路汞测试仪、出口管路烟气分析仪和出口管路汞测试仪，在线烟气分析仪测量混合气体中的O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，并通过调节控制计量阀门来控制O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，使各组份达到催化反应器入口的预设值；待催化反应器入口气体组分稳定后，同时记录入口、出口混合气体中的O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，通过计算得出汞催化氧化率和脱硝效率。

作为优选，本实用新型还包括如下步骤：试验完毕后，关闭气体输入单元，关闭催化反应器的加热装置、预热缓冲罐的加热装置、蒸发瓶的加热装置、恒温水浴锅和冰浴装置，打开氮气承载输送单元，对管路、催化反应器、进口管路烟气分析仪、进口管路汞测试仪、出口管路烟气分析仪和出口管路汞测试仪进行吹扫，排除掉吸附在内壁上的汞蒸汽、H2O、NO、NH3、SO2。

作为优选，本实用新型实验所得数据归纳为某时刻的脱除效率，用来表征催化剂对模拟烟气中污染物的去除性能；将称量制备好的催化剂装入固定床反应器中，在一定的反应温度下进行动态催化实验，测定固定床出口处污染物的浓度随时间的变化；γHg为催化剂对Hg⁰的去除效率，γNO为催化剂对NO的去除效率，γoxi由公式(1)计算：

其中，分别为催化反应器进口及出口的单质汞浓度(单位：μg/m³)，ΔHg⁰表示穿过催化剂后单质汞浓度的变化；

γNO由公式(2)计算：

其中，NOin，NOout分别为催化反应器进口及出口的NO浓度(单位：mg/m³)；ΔNO表示穿过催化剂后NO浓度的变化。

采用小型气固催化反应系统对催化剂样品的脱汞性能进行评价，主要由模拟烟气系统、汞蒸汽发生系统、催化反应系统、温控系统、测试系统和尾气净化系统组成。

所述模拟烟气系统中烟气成分主要包括常规烟气组分、水蒸汽和汞蒸汽三部分，常规烟气由标准气瓶提供，包括CO2、O2、NO、SO2、H2O以及平衡气N2，其中N2气流被分成两路，一路N2气流与CO2，O2，NO和SO2混合构成模拟烟气的主要部分，另一路N2气流通过储存汞渗透管的U型管，将单质汞带入模拟烟气，然后进入预热管。所有气体的流量由质量流量计进行精确控制，按照试验要求，控制各种气体流量，保持管路中流量的稳定。水蒸汽采用微量蠕动泵将水直接注入预热缓冲管中蒸发产生，水蒸汽含量通过控制注射泵的水量达到设定值。

所述汞蒸汽发生系统是由恒温水浴锅、石英U型管和放置于其中的汞渗透管三部分组成。储存汞渗透管的U型管置于恒温水浴锅中，通过调节温度控制汞的发生量，保证模拟烟气中汞浓度的稳定性。然后由载气N2气流携带单质汞进入催化反应器。

所述催化反应系统主要由管式炉和石英反应器组成，石英反应器呈垂直地面方向放置，管中央填塞石英棉作为催化剂的支撑床。石英反应器置于一个可程序控温的管式炉内，反应温度可通过管式炉精确的控制及调节。

所述测试系统采用汞分析仪测试烟气中的汞浓度，测汞仪采用高频塞曼效应背景校正技术，可最大程度的消除其它气体成分的干扰作用，可实时监测烟气中的单质汞浓度，响应时间为1s。烟气在进入测汞仪前，采用冰浴冷凝管脱除烟气中的水汽，避免水汽可能造成的测试误差及测汞仪监测窗口的腐蚀。除此之外，还采用烟气分析仪记录入口和出口的NO体积浓度。

所述尾气净化系统是烟气通过测汞仪被测试后，采用盐酸浸渍过的活性炭吸附其中的汞，然后通过专门管道连接到通风橱排空。系统中所有的连接管道均采用聚四氟乙烯管。为了避免汞在管道上的冷凝，冷凝器前的管道均采用加热带加热到90℃以上。

进一步地，在各组分气瓶出口管路上设置计量调节阀门，可根据试验所需设定的浓度进行自主调节。

进一步地，在尾气净化系统出口管路上设置变频引风机，其目的是调节系统内压力，维持模拟烟气通道及反应器内为微负压状态，避免室内环境污染与人员中毒。

进一步地，在各气体组分汇合处设置预混合器，使各气体组分充分混合后进入后续反应器反应，避免混合不均匀而影响试验效果。

进一步地，在预混合器后设置气体预热缓冲器，并设置温度测试仪，使混合后的气体达到试验所需要的温度，并起到缓冲作用。

进一步地，在预热缓冲器后设置测汞仪、烟气测试分析仪，便于调节进入反应器的气体组分达到试验要求。在催化反应器出口管路上设置测汞仪、烟气测试分析仪，用于测量反应器出口烟气组分，以便评价汞的催化氧化效果及其他气体组分情况。

本实用新型的优点在于设计更加合理，适用于SCR脱硝低温催化剂、SCR脱硝脱汞一体化催化剂的试验研究工作，其有益效果在于：

1)设置汞蒸发系统和水汽蒸发装置，真实的模拟烟气组分，弥补了常规催化剂综合试验装置不能进行催化剂汞催化氧化性能试验评价工作的不足，能够同时进行催化剂脱硝脱汞一体化性能试验研究工作，大大缩短了时间成本。

2)增加了气体预混合器，使气体组分充分混合，消除了气体组分混合不均匀对试验效果的影响。

3)在反应器进出口管路均设置了测汞仪和烟气分析仪，可实时掌握烟气组分情况，便于及时调整运行状态。

附图说明

图1是本实用新型实施例中SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置的结构示意图。

图中：汞蒸发系统10、SO2输入单元11、氨气输入单元12、CO2输入单元13、O2输入单元14、氮气输入单元15、NO输入单元16、氮气承载输送单元17、蠕动泵18、蒸发瓶19、预混合器20、预热缓冲罐21、进口管路烟气分析仪31、进口管路汞测试仪32、出口管路烟气分析仪33、出口管路汞测试仪34、流量计35、催化反应器41、冰浴装置51、尾气处理装置52、风机53。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，以下实施例是对本实用新型的解释而本实用新型并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中的SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置包括汞蒸发系统10、SO2输入单元11、氨气输入单元12、CO2输入单元13、O2输入单元14、氮气输入单元15、NO输入单元16、蠕动泵18、蒸发瓶19、预混合器20、预热缓冲罐21、进口管路烟气分析仪31、进口管路汞测试仪32、出口管路烟气分析仪33、出口管路汞测试仪34、流量计35、催化反应器41、冰浴装置51、尾气处理装置52和风机53。

本实施例中的蠕动泵18和蒸发瓶19连接，汞蒸发系统10、SO2输入单元11、氨气输入单元12、CO2输入单元13、O2输入单元14、氮气输入单元15、NO输入单元16和蒸发瓶19均与预混合器20连接，预混合器20和预热缓冲罐21连接，预热缓冲罐21和流量计35连接，流量计35分别与进口管路烟气分析仪31和进口管路汞测试仪32连接，进口管路烟气分析仪31和进口管路汞测试仪32均与催化反应器41连接，催化反应器41和冰浴装置51连接，冰浴装置51分别与出口管路烟气分析仪33和出口管路汞测试仪34连接。

本实施例中的汞蒸发系统10包括汞渗透管、恒温水浴锅和氮气承载输送单元17，汞渗透管置于恒温水浴锅内，氮气承载输送单元17和汞渗透管连接。出口管路烟气分析仪33和出口管路汞测试仪34均与尾气处理装置52连接，尾气处理装置52和风机53连接。

本实施例中的汞蒸发系统10与蒸发瓶19通过管道连接，该管道上设置有电磁流量调节阀。进口管路烟气分析仪31、进口管路汞测试仪32、出口管路烟气分析仪33和出口管路汞测试仪34均为在线分析仪结构。催化反应器41的出口处设置有取样口。催化反应器41包括管式炉和石英反应器，石英反应器置于管式炉内，该石英反应器呈垂直地面的方向放置，石英反应器的管中央填塞石英棉作为催化剂的支撑床。

本实施例中SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置的试验方法的步骤如下：

(1)将所需试验的催化剂样品放入催化反应器41内，打开氮气输入单元15，让SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置内充满N2；

(2)装置气密性检测；试验前应按照SH 3501中泄漏性试验部分的要求进行装置气密性检测，检测合格后再进行试验；

(3)打开催化反应器41的加热装置、预热缓冲罐21的加热装置、蒸发瓶19的加热装置、恒温水浴锅和冰浴装置51，使SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置达到设定温度；

(4)当催化反应器41的入口温度、出口温度均达到设定值时，如设定值可以为320℃时，依次打开O2输入单元14、NO输入单元16、SO2输入单元11和汞蒸发系统10，启动蠕动泵18将水直接注入蒸发瓶19中蒸发产生水蒸气，水蒸气含量通过控制蠕动泵18的水量以达到设定值；N2、O2、NO、SO2、汞、气态水在预混合器20中初步混合，然后再进入预热缓冲罐21，使气体混合均匀，得到混合气体；

(5)混合气体在压力作用下经过流量计35进入催化反应器41，在催化反应器41内反应后从催化反应器41的下部排出；当温度均达到设定值时，打开进口管路烟气分析仪31、进口管路汞测试仪32、出口管路烟气分析仪33和出口管路汞测试仪34，模拟烟气进入进口管路烟气分析仪31、进口管路汞测试仪32、出口管路烟气分析仪33和出口管路汞测试仪34，在线烟气分析仪测量混合气体中的O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，并通过调节控制计量阀门来控制O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，使各组份达到催化反应器41入口的预设值；当催化反应器41入口各烟气组份均达到预设值后，催化剂进入老化过程，老化过程为待系统烟气参数按要求调节稳定，持续通烟气30h后，每隔1h对反应器41出口烟气中SO2和SO3浓度进行检测。当连续4个测试数据不存在同一种趋势且测试结果的标准偏差小于10％时，表明新催化剂的老化完成，可以进入正式测试阶段。

正式测试时按设计氨氮摩尔比通过氨气输入单元12进行氨气注入，稳定并保持1h。然后每隔1.0h～1.5h测定一次催化反应器41的入口和催化反应器41的出口的NO和单质汞的浓度。测试期间，当烟气条件发生变化时，应稳定lh后方可进行数据采集。至少测定5次。当相邻两次的测量结果相对偏差不大于10％时，可以结束试验。待催化反应器41入口气体组分稳定后，同时记录入口、出口混合气体中的O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，通过计算得出汞催化氧化率和脱硝效率。

(6)试验完毕后，关闭气体输入单元，关闭催化反应器41的加热装置、预热缓冲罐21的加热装置、蒸发瓶19的加热装置、恒温水浴锅和冰浴装置51，打开氮气承载输送单元17，对管路、催化反应器41、进口管路烟气分析仪31、进口管路汞测试仪32、出口管路烟气分析仪33和出口管路汞测试仪34进行吹扫，排除掉吸附在内壁上的汞蒸汽、H2O、NO、NH3、SO2等腐蚀性气体。

实验所得数据归纳为某时刻的脱除效率，用来表征催化剂对模拟烟气中污染物的去除性能；将称量制备好的催化剂装入固定床反应器中，在一定的反应温度下进行动态催化实验，测定固定床出口处污染物的浓度随时间的变化；γHg为催化剂对Hg⁰的去除效率，γNO为催化剂对NO的去除效率，γoxi由公式(1)计算：

其中，分别为催化反应器41进口及出口的单质汞浓度(单位：μg/m³)，ΔHg⁰表示穿过催化剂后单质汞浓度的变化；

γNO由公式(2)计算：

其中，NOin，NOout分别为催化反应器41进口及出口的NO浓度(单位：mg/m³)；ΔNO表示穿过催化剂后NO浓度的变化。

本实施例中的SCR脱硝脱汞一体化催化剂综合试验装置主要包括模拟烟气系统、汞蒸汽发生系统、催化反应系统、温控系统、测试系统和尾气净化系统组成。通过测试入口、出口混合气体中的O2、NO、SO2、汞、气态水的含量，计算得出汞催化氧化率和脱硝效率，用以评价样品催化剂性能。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所作的举例说明。凡依据本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。