煙氣脫硝裝置催化劑失活原因分析及其防止措施

孫灝

【摘 要】 在SCR煙氣脫硝系統中，脫硝催化劑的反應活性對脫硝系統的設計和運行均具有重要的意義。本文介紹了目前國內主要使用的煙氣脫硝催化劑的成分、類別及型式，對導致脫硝催化劑活性失活原因進行了分析，提出了防止催化劑失活的技術措施。

【關鍵詞】 火電廠 煙氣脫硝 SCR 催化劑 活性

1 煙氣脫硝催化劑介紹

目前國內火電廠煙氣脫硝主要采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝。SCR脫硝裝置用催化劑主要采用V2O5—WO3/TiO2型金屬氧化物催化劑。在催化劑主要成分中V2O5為活性組分，WO3為助劑，TiO2為載體。載體的性能對催化劑活性有重要影響，目前脫硝催化劑均采用納米級TiO2作為載體組分。這是因為納米TiO2具有較大的比表面積，可有效降低催化劑的裝填體積；其次煙氣中的SO2和O2對催化劑中的TiO2只有微弱的可逆硫化作用，化學性質穩定；另外TiO2所具有的獨特的電子云結構以及TiO2與V2O5直接良好的電子作用，可使催化劑具有良好的催化還原活性。

SCR脫硝催化劑型式可分為三種：板式、蜂窩式和波紋板式。板式催化劑以不銹鋼金屬板壓成的金屬網為基材，將TiO2、V2O5、WO3等組分的混合物黏附在不銹鋼網上，經過壓制、鍛燒后，將催化劑板組裝成催化劑模塊。蜂窩式催化劑一般為均質催化劑。將TiO2、V2O5、WO3等組分的混合物料通過成型模具擠出，制成截面為150mm×150mm長度不等的催化劑坯料，再經過壓制、鍛燒后支持催化劑元件，然后組裝成為截面約為2m×1m的標準模塊。波紋板式催化劑的制造一般現用玻璃纖維加強過的TiO2制成為基材，將WO3、V2O5等活性成份浸漬到催化劑基材的表面，以達到提高催化劑活性、降低SO2氧化率的目的。目前蜂窩式催化劑占據了約70%份額市場。

2 催化劑失活原因分析

2.1 催化劑中毒

所謂催化劑中毒，指的是由于燃料中各種化學成分與催化劑本身發生了或物理或化學的反應，造成催化劑失去活性，無法再促使氮氧化物與氨的反應，是催化劑劣化的一個重要成因。其中一旦發生化中毒，催化劑將很難恢復原有脫硝性能，甚至有時會導致完全失活。

根據多年SCR運行經驗及追蹤項目運行狀況后，總結得出造成催化劑中毒大致分為以下幾種機理。第一種為堿金屬中毒，包括鈉、鉀等堿金屬，直接與催化劑活性區域反應，從而使之成為惰性的。第二種為重金屬中毒，如砷等，擴散進入催化劑，并在活性和非活性區域固化。第三種為堿土金屬中毒，如鈣等，和催化劑表面吸收的SO3 反應生成硫酸鹽，引起催化劑表面被覆蓋。

2.2 催化劑堵塞

催化劑堵塞主要有兩個原因造成，飛灰的沉積與氨鹽的沉積。煙氣中飛灰會沉積在催化劑表面，如不及時去除將會導致催化劑單元孔堵塞，然后將會逐步擴展至整個單元以至于整個模塊。而氨鹽的沉積主要會堵塞催化劑內部微孔，微孔堵塞阻礙NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面，從而引起催化劑鈍化。

2.3 催化劑燒結

長時間暴露于450℃以上的高溫環境中可引起催化劑活性位置（表面）燒結，導致催化劑顆粒增大，比表面積減小，一部分活性組分揮發損失，因而使催化劑活性降低。鍋爐啟動過程中粘附在催化劑表面的油污也會造成催化劑的燒結。

3 催化劑失活的防止措施

要很好地防止催化劑中毒，在脫硝裝置及脫硝催化劑設計選型階段，脫硝設計單位應聯合催化劑廠商，依靠多年積累的脫硝系統運行經驗和數據，充分了解導致各項致毒機理與對催化劑影響的程度，根據設計工況合理選擇催化劑的體積與配方。特別重要的是，要選擇合理的催化劑孔數、間距及活性物質比例。

其次用戶在脫硝裝置運行使用過程中，應嚴格按照SCR操作運行手冊進行系統操作，避免催化劑與液體產生接觸或在不恰當的溫度區間運行等錯誤導致的催化劑中毒。催化劑的中毒情況，受到燃料里各種致毒物的數量和濃度的影響，需要用戶根據脫硝裝置供應商所推薦的頻率和方法進行燃料和灰分的分析，并將分析報告保留一定長的時間（至少一年）提供給脫硝裝置供應商或催化劑廠商，為將來試驗分析用。

飛灰中的大顆粒灰，其顆粒直徑大，會堵塞住催化劑表面的毛細孔，減少反應面積。為防止催化劑堵塞，需要在進入SCR反應器前將其收集掉。設計單位應合理設計SCR入口煙道結構，改善煙氣流速及流場，減少煙氣中的煙塵沉降。如果原有鍋爐無省煤器灰斗應設置SCR反應器入口灰斗，如省煤器灰斗無法正常使用應對省煤器出口灰斗進行改造。

當灰分含量過大時，小顆粒灰的未及時清理所造成的沉積問題，同樣可能會堵塞住催化劑表面的毛細管結構。要解決這個問題，主要從三方面來考慮。首先從SCR系統設計而言，應將SCR裝置采取垂直流設置；同時根據實際運行經驗設計合適的煙氣流速；最重要的是通過SCR正確的煙道內部結構設計和規劃，計算機動態模擬實驗和冷態模擬實驗，來獲得催化劑表面煙氣流量與飛灰的均衡分布。其次要綜合考慮實際的工況與灰量，根據實際運行累積數據與實驗室驗證結果選擇合適的間距與開孔尺寸，將飛灰沉積的問題最小化。最后，安裝吹灰裝置，根據運行情況選擇合理的吹灰頻率，也是防止該問題的有效途徑。

氨鹽沉積的問題可以通過合理的設計和運行SCR系統來解決。設計合適的催化劑體積，避免NH3的逃逸，同時運用合理的催化劑配方，降低SO2到SO3轉化率。通過合理的系統的設計，特別是混合裝置的設計，使催化劑表面煙氣濃度達到均布。而在運行過程中，注意停止噴氨的溫度，使SCR運行溫度在氨鹽形成之上，同時選擇合適的氨氮摩爾比，就能避免氨鹽沉積的問題。

脫硝催化劑能夠長期承受的溫度不得高于420℃，短期承受的，超過該限值，而因此我司規定SCR反應器入口溫度在，進行，已充分利用催化劑的活性。

脫硝催化劑的運行溫度區間在300至420℃之間，在這個溫度范圍內煙氣脫硝系統可正常噴氨運行。溫度低于300℃時催化劑的活性下降，同時容易產生硫酸氫氨黏結煙氣中灰塵堵塞催化劑以及空預器，因此煙氣溫度低于300℃時脫硝系統應停止噴氨退出運行。溫度高于450℃會導致催化劑燒結損壞，因此煙氣溫度高于450℃時超溫保護應投入整臺應機組應停運。

參考文獻：

[1]中華人民共和國電力行業標準 火電廠煙氣脫硝（SCR）裝置運行技術規范.

[2]孫克勤.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用.endprint