再生脫硝催化劑SO2氧化率控制研究

王　虎，王曉偉，李　倩，陳志平

(大唐南京環保科技有限責任公司，江蘇　南京　211111)

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再生脫硝催化劑SO2氧化率控制研究

王虎，王曉偉，李倩，陳志平

(大唐南京環保科技有限責任公司，江蘇南京211111)

隨著脫硝催化劑在燃煤電廠復雜煙氣條件下長期運行，其活性將逐漸降低，最終失活，考慮到電廠的脫硝成本，對失活的脫硝催化劑通過再生工藝進行處理是較為合理的解決方案，再生的目的就是最大程度的恢復脫硝催化劑的活性，同時需要對再生后催化劑的SO2/SO3氧化率進行控制，本文就簡要闡述了再生工藝過程中通過控制活性組分的負載位置和去除再生催化劑中的氧化鐵控制催化劑SO2/SO3氧化率的意義及其措施。

再生；脫硝催化劑；SO2；氧化率

2011年9月，國家環保部發布了新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，對國內燃煤火電廠脫硝改造提出了新的更高的要求和明確的時間結點。短短幾年時間，幾十萬方脫硝催化劑被應用到燃煤電廠。2013年8月11日，國務院發布《關于加快發展節能環保產業的意見》，特別指出要大力發展脫硝催化劑制備和再生以及選擇性催化還原技術和選擇性非催化還原技術及其裝備。這是國家首次對脫硝催化劑制備以及再生作出明確指示。

2017年年底全國脫硝機組裝機容量將達10億kW，且基本完成脫硝催化劑的加裝，屆時國內脫硝催化劑保有量將達到90～120萬m3。火電廠脫硝催化劑使用過程中會出現堵塞、磨蝕及中毒等現象，通常其設計的化學壽命為3年(24000 h)。2017年后國內每年將產生約15萬m3失效脫硝催化劑。

催化劑再生具有顯著的社會效益和經濟效益：失效催化劑進行再生既有益于環境保護，又有利于節約原材料，實現資源的循環再利用。如果不再生，將造成資源的嚴重浪費和環境的二次污染，且催化劑再生的成本是生產新催化劑成本的40%～60%；可以節省填埋廢催化劑(危險廢棄物)的高額費用。因此催化劑再生將成為處理火電廠失效脫硝催化劑的首選方式。

1　脫硝催化劑再生工藝

目前國內脫硝催化劑失效后的再生處理主要有兩種方案，一是現場再生，二是工廠化再生。這與歐洲和美國最初經歷的過程相同，但在2005年以后美國已經不再采用現場再生方法。

現場過程可以把表面沉積物和附載物通過物理和化學方法簡單清除，再負載一定量的化學活性組分。但是現場再生會帶來一些列的危害：失效催化劑含有砷及釩、鉬、鎢等重金屬，現場再生清洗過程中會產生含有重金屬的廢水、廢渣，加之現場沒有專業化的無害化處理設備和系統，極易對電廠周邊環境和水質造成二次污染，對電廠工作人員產生較大的健康風險。

工廠化再生是通過物理和化學方法有機的結合，可以將催化劑表面和微孔堵塞物完全去除，更重要的是能夠將化學中毒物砷、磷和堿金屬也有效地去除。工廠化再生可以嚴格控制烘干、煅燒等關鍵工藝的參數，這對化學活性組分的有效負載至關重要。真正的工廠化再生工藝是一個復雜的物理化學過程，為每一個客戶量身定做的再生方案，可以使失效催化劑的活性恢復到新鮮催化劑的0.95～1.05。工廠化再生配有污水處理設施，可以將再生過程中產生的廢水處理到達標排放。

國家環保部在《廢煙氣脫硝催化劑危險廢物經營許可證審查指南》中明確鼓勵工廠再生，因此工廠再生將成為SCR脫硝催化劑再生行業的主流技術。

脫硝催化劑工廠化再生包括物理處理和化學處理兩部分。物理處理主要是真空吸灰和壓縮空氣吹灰。化學處理主要包括以下六個工藝過程：

第一步：預清洗(浸泡)，這一步為堿洗步驟，主要目的是為了減小污染物對催化劑的附著力。浸泡時間根據催化劑的類型和堵塞程度而定，板式催化劑一般用時比蜂窩式用時短。

第二步：鼓泡處理，清洗催化劑。

第三步：超聲處理，主要是為了清除催化劑微細孔中的毒物和堵塞物。

第四步：酸洗和純水洗，首先用酸溶液洗去污染物，同時中和前兩步中帶入的堿，使催化劑達到合適的pH值。

第五步：活性成分再浸漬，補充活性物質，恢復催化劑活性。

第六步：煅燒。

脫硝催化劑再生就是通過優化上述再生工藝的參數，最大程度地恢復催化劑的脫硝活性，同時將SO2/SO3氧化率降至最低。

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2　控制SO2/SO3氧化率的意義

NOx的催化還原反應受傳質控制，而SO2的氧化反應受動力學控制。在沒有催化劑的存在下，反應速度非常緩慢。SO3的危害主要是通過與其他物質反應得到的產物可以造成催化劑的物理失活和對下游設備造成腐蝕。

SO3具有吸濕性，在空氣換熱器中吸收煙氣中的水蒸氣形成氣態硫酸[1]；在水蒸

氣存在的條件下，SO3與SCR系統中逃逸的NH3發生反應生成硫酸銨和硫酸氫銨[2]。

硫酸氫銨會對脫硝催化劑活性產生不利影響，尤其在鍋爐負荷較低時。如果在溫度低于最低噴氨溫度時繼續大量噴氨，SO3會與氨氣迅速反應，生成大量的硫酸氫銨，進而造成催化劑微孔完全被堵塞，脫硝活性暫時完全喪失。硫酸氫銨的生成反應是可逆反應，如果短時間內將煙溫恢復至正常SCR反應溫度，催化劑微孔中的硫酸氫銨會分解，脫硝活性會重新恢復。但如果催化劑長期處于硫酸氫銨覆蓋下，催化劑的活性便會永久喪失。催化劑孔道內的CaO會阻礙煙氣擴散，一旦生成CaSO4，體積將增大，造成催化劑嚴重的孔堵塞。

同時，硫酸氫銨對脫硝系統下游設備，特別是對空預器的危害非常大。雖然在高溫區硫酸氫銨會分解，但是流經空預器時煙溫會逐漸下降，硫酸氫銨會重新生成。硫酸氫銨是一種類似于液態的粘性物體，當有飛灰流經時，更容易在空預器中低溫段的表面沉積，引起腐蝕、堵塞、熱效率下降和壓降上升等問題，嚴重時影響鍋爐的正常運行。SO3造成的藍煙使排煙的不透明度增加，而且SO3在排煙時已經轉化成硫酸，直接造成酸雨污染[3]。因此SO2/SO3轉化率是SCR脫硝系統中的一個重要指標，必須被嚴格控制。

3　再生催化劑SO2/SO3氧化率的控制措施

釩鈦系催化劑中的活性組分釩氧化物能夠催化還原NOx，同時對SO2氧化生成SO3起到一定的催化作用[4-6]。 盡可能降低釩氧化物對SO2催化氧化作用，是控制再生催化劑SO2/SO3氧化率的一項重要措施。另一方面，有研究報道《SO2在大氣氣溶膠重要組份a-Fe2O3上的催化氧化反應機理及動力學研究》中氧化鐵對SO2具有催化氧化作用，會提高SO2/SO3轉化率。因此降低催化劑中Fe元素的含量，也可以起到控制再生催化劑SO2/SO3氧化率的作用。

(1)通過控制活性組分的負載位置控制SO2/SO3氧化率

由于NOx還原反應受傳質控制，反應速度較快，并且反應只發生在催化劑表面150～200 μm處。而SO2氧化反應受動力學控制，反應速度較慢。因為與NOx還原反應競爭相同的活性位點，所以SO2氧化反應被NOx還原反應抑制。SO2的轉化率與空速成反比，隨著煙氣停留時間的增加和催化劑孔容的增大，SO2的轉化率增加。同時SO2的轉化率受催化劑中V2O5的含量影響最大。NOx還原反應發生在催化劑的表面和孔口處，而SO2的氧化發生在催化劑孔道更深的位置(如圖1所示)。

圖1　NOx反應區與SO2氧化區

圖2　活性成分定位控制

通過精確控制實驗條件，可以實現催化劑活性組分的適當定位，使活性成分盡量位于NOx反應區，這對降低催化劑的SO2氧化率至關重要。圖2是控制再生催化劑活性組分分布的示意圖。對于新催化劑，活性成分比較均勻的分布在催化劑的孔道中。催化劑再生過程中，在去除砷和其他中毒元素的同時，部分活性成分也會流失。為了保證再生后催化劑的活性成分基本位于NOx還原反應區，在浸漬活性組分時，應該將SO2氧化區先用殘留水封存。通過這一系列的步驟，煅燒后催化劑的活性組分大部分位于NOx還原反應區。

對比新催化劑和再生催化劑的性能(見圖3)，可以看出通過控制活性組分V2O5的分布位置(更多的分布在催化劑的表面)，一方面再生催化劑的脫硝活性能全部恢復，另一方面催化劑的SO2氧化率得到有效控制。

圖3　催化劑再生結果

(2)通過去除再生催化劑中的氧化鐵控制SO2/SO3氧化率

Steag脫硝催化劑再生技術不僅在化學再生過程中對SO2氧化率進行控制，此外在再生工藝開始之前，清除在干法預清洗過程中來自模塊框和單元盒上的鐵銹。某些形態的鐵氧化物促進了SO2向SO3的氧化，因此這些鐵氧化物聚集在催化劑表面時增加了SO2向 SO3的轉化率。高效成功地清除這些鐵化合物使得在整個催化劑壽命周期內，保證催化劑具有較低的SO2氧化率。

4　結　語

再生脫硝催化劑具有低的二氧化硫氧化率，對于脫硝系統

的低成本長期運行具有較大優勢。通過對催化劑工廠化再生工藝的優化，既可以恢復催化劑的脫硝活性，同時也能夠降低催化劑的SO2氧化率。通過控制再生過程中活性成分的負載位置和除去催化劑中的鐵氧化物，能夠有效控制再生脫硝催化劑的SO2氧化率。

[1]關麗. 鍋爐排煙中SO3的危害[J]. 東北電力技術, 1996(1):49-51.

[2]Huang Z, Zhu Z, Liu Z, et al. Formation and reaction of ammonium sulfate salts on V2O5/AC catalyst during selective catalytic reduction of nitric oxide by ammonia at low temperatures [J]. Journal of catalysis, 2003, 214(2): 213-219.

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[6]王杭州. SCR對脫硝效率及SO2轉化率影響分析[J]. 電力科學與工程, 2008, 24(5): 17-21.

Study on the SO2Oxidation Ratio Control of Regenerated SCR Catalyst

WANGHu,WANGXiao-wei,LIQian,CHENZhi-ping

(Datang Nanjing Environmental Protection Technology Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 211111, China)

with the SCR catalyst long time running at complex flue gas of power plant, the activity of catalyst decreases, and it is reasonable for deactivated SCR catalyst to be processed via regeneration process with considering the cost of power plant. The purpose of regeneration is to recover the activity of SCR catalyst in maximum degree, while controlling the SO2/SO3oxidation ratio of catalyst. This paper the importance and measures of catalyst SO2/SO3oxidation ratio control by controlling the location of active component and removing the iron oxide inside the catalyst during the regeneration process were briefly described.

regeneration; SCR catalyst; SO2; oxidation ratio

X773

A

1001-9677(2016)08-0177-03