国内外SCR脱硝催化剂应用现状、技术特点及成型工艺分析

3 催化剂成型技术

SCR可按外形分为3大类：蜂窝式、板式、波纹式。这3类都是适用于工业烟气流量大、含尘量高的整体性催化剂，其大致外观如图2所示。

3类催化剂在国内外市场都有实际应用，但不同类型催化剂的特点、适用范围及成型工艺导致其在国内外市场所占份额差距悬殊。其中，蜂窝式SCR催化剂市场占比超过6成，其次是板式催化剂，波纹板式只占极少部分。这3类催化剂的特点和应用范围如表4所示。

目前,我国的高校院所对催化剂活性组分的组成、反应机理以及催化剂中毒等方面进行了一些探索研究，但很少有专利和文献涉及整体催化剂的制备与成型工艺。在此背景下，如何解决依赖进口、价格昂贵等制约我国脱硝市场发展的瓶颈问题，并实现SCR催化剂的国产化和规模化生产，最终形成具有自主知识产权的烟气脱硝催化剂的生产技术，成为我国脱硝工艺发展的当务之急。

3.1 蜂窝式催化剂成型工艺

蜂窝类型的催化剂是目前应用最广泛的一类催化剂，成型方式可分为挤出成型式和涂覆式。挤出成型的工艺流程如图3所示。

在挤出成型过程中干混和湿混步骤中要依次加入活性组分前驱体、载体、结构助剂（黏结剂、造孔剂、结构增强剂）、水等，形成塑性催化剂泥团，经过干燥焙烧等环节最终成型。

制备的催化剂可根据需求调节大小，因为催化剂的活性组分散布于整个基体，所以该类型催化剂使用周期很长，耐磨性能优良，可以在复杂烟尘的情况下使用。

在成型过程中工艺条件及成型助剂对于成型过程极其关键。Forzatti等发现催化剂挤出过程中，通过控制挤出压力和速度可以改变催化剂的结构性能，并找出其中的联系，这对指导催化剂生产意义重大。浙江大学孙科考察了成型助剂对的Ce-Mn/TiO2催化剂体系性能的影响，并着重考察了结构助剂（玻璃纤维）对于催化剂活性和机械性能的影响。

蜂窝式催化剂另一种成型方式为蜂窝陶瓷涂覆技术，该技术利用现成的蜂窝式陶瓷材料作为载体，在表面涂覆一层具有催化活性的浆料。该技术极大降低了活性组分的用量，节约成本，同时能够保证催化剂机械强度满足工业生产的要求。

载体的选择对于成型过程极为重要，蜂窝堇青石是目前公认的最适合作脱硝催化剂的载体之一，具有热稳定性好、机械强度高等优点[24]，但是需要通过预处理来改变其表面性能。负载方式对于成型过程同样重要，活性组分需要预先与黏结剂或分散剂混合形成浆料，再通过浸渍或者喷涂的方式附着于载体表面，经过干燥焙烧得到整体催化剂，这种方式最大的弊端是活性组分与基底的黏结性较差，易脱落，不适于大风量和高烟尘的工况条件[25]。

为抑制催化剂表面脱落，Popovych等在堇青石表面负载铝涂层，并将活性组分溶液涂覆在铝涂层上，通过测试发现负载铝涂层后不仅降低了催化剂的脱落率，同时涂层较大的表面积也有利于催化活性的发挥。

3.2 板式与波纹板式催化剂成型工艺概述

板式催化剂作为另一种应用广泛的催化剂，近年来国内市场占比不断上升，维持在30%左右。商用的板式催化剂的成型流程如图4，含有载体（TiO2、Al2O3）活性组分（V2O5、WO3、MoO3）的原料在混练机中充分混练，混练均匀的泥料涂覆到金属网上，经过干燥焙烧等手段制成催化剂单板。

平板式催化剂以不锈钢筛板作为结构骨架，机械强度大，不会造成催化剂整体塌陷，运行安全稳定。脱硝系统运行的主要能耗来源于风机阻力引起的风机电耗，板式催化剂在组装过程中可以根据烟气条件调节板间距，减低床层阻力，降低脱硝能耗。与其他涂覆成型的整体式催化剂缺点类似，板式催化剂同样易磨损、寿命低。为解决这一问题，通常需要提高浆料在载体表面的附着能力。

谷东亮研究发现，在浆料中添加不同助剂会对催化剂活性和成型后的机械强度产生影响，并通过自行设计的辊压机制备出了脱落率较低且不易开裂的板式催化剂，并进行了相关实验验证。

相较于前2种催化剂，波纹板式催化剂市场占有率很低，全球也只有Topsoe和日立造船等为数不多的厂商可以生产，国内产品大部分来自进口。其成型工艺与板式催化剂类似，区别在于载体替换为波纹状的陶瓷/玻璃纤维板。陶瓷纤维板互相叠加在一起，形成的三角形或者梯形的孔结构组成了催化剂的基本样式。

新型载体材料的使用极大地降低了催化剂的密度（比相同体积的蜂窝式催化剂轻40%~50%）且易于组装拆卸。但是，波浪形的结构设计在增大与烟气的接触面积的同时也会导致飞灰沉积且极易磨损，这限制了在工业上的应用。为改善波纹板式缺陷，加快市场推广，研究者们不断研究改进。

贺亚飞等通过对波纹状催化剂进行端部硬化，大大降低催化剂的磨损率。同时发现，通过合理的布置方式也可以进一步延长这类催化剂的使用寿命。目前，国内外专家学者正通过研究，不断改进该类催化剂的性能，未来将更多地应用到实际生产中。

4 总结与展望

国家对于烟气中NOx等污染物的控制愈发严格。在没有更好技术应用之前，SCR技术依然是主要的NOx控制手段。SCR脱硝催化剂诞生半个世纪之久，对其研发改进从未停止，面对日益复杂的应用条件，目前传统钒钛体系的SCR 催化剂难以满足实际应用要求，以Mn基催化剂为代表的低温SCR催化剂的应用是满足未来需求的关键。

为促进SCR催化剂进一步推广，降低应用成本，我国还应该加强催化剂成型技术的研发，在引进吸收国外技术的同时，开发新的成型技术，摆脱国外技术依赖。近年来，我国在该领域已经取得很大进步，经过各方的努力，一定会研制出许多能够满足实际应用的脱硝催化剂产品。

延伸阅读：

一种低温SCR脱硝催化剂及其制备和应用方法

燃煤电厂灵活调峰宽温差SCR脱硝催化剂以及超低排放技术