淺析燃煤電廠SCR催化劑砷中毒對脫硝系統的影響

于洪海 曲立濤 林海峰

（1華電電力科學研究院東北分院遼寧沈陽1101792沈陽綠色環保產業有限公司遼寧沈陽110000）

淺析燃煤電廠SCR催化劑砷中毒對脫硝系統的影響

于洪海1曲立濤1林海峰2

（1華電電力科學研究院東北分院遼寧沈陽1101792沈陽綠色環保產業有限公司遼寧沈陽110000）

SCR催化劑砷中毒是燃煤電廠脫硝系統運行中常見的問題，通過對煙氣中As來源和催化劑砷中毒機理的介紹，結合某燃煤電廠300MW機組實例進行分析，總結出SCR催化劑砷中毒對電廠脫硝系統和下游設備造成的影響，并給出了降低SCR催化劑砷中毒影響的建議。

SCR催化劑；砷中毒；影響

近年來，國內各地區的大氣污染日趨嚴重，并且有愈演愈烈之勢，國家和地方為了治理大氣污染也相繼出臺了較以前更嚴格的法律、標準和政策，而火電行業尤其是燃煤電廠產生的煙塵、SO2和NOX等大氣污染物是目前我國大氣污染防治工作的主要污染物質，而燃煤電廠又是NOX排放的主要單位[1]。《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）中指出，從2015年1月1日起，火電廠燃煤鍋爐NOX濃度排放限值需達到100mg/m3以下（采用W形火焰爐膛的火力發電鍋爐，現有循環流化床火力發電鍋爐，以及2003年12月31日前建成投產或通過建設項目環境影響報告書審批的火力發電鍋爐除外），各燃煤電廠為其排放的NOX滿足新的排放標準要求，紛紛增設或改造脫硝設施。在此過程中，300MW以上煤粉爐的脫硝工藝基本上選擇了SCR（選擇性催化還原）脫硝，而SCR脫硝的關鍵又在于催化劑，催化劑的組成、結構和性能等對火電廠煙氣脫硝效果具有直接影響[2]。在燃煤電廠的實際運行當中，砷中毒是引起催化劑活性下降的主要原因，而催化劑的活性下降將會對脫硝系統及下游設備的運行造成不良影響，甚至會導致NOX超標排放。

1 煙氣中As的來源

燃煤電廠脫硝系統的煙氣主要來自于煤與空氣的燃燒，空氣的成分中沒有As的存在，煤炭是一種復雜的天然礦物，成分復雜，煤炭中的As多以硫化砷或硫砷鐵礦（FeS2·FeAs2）等形式存在，小部分為有機物的形態[3]。目前國內常用的催化劑多為釩鈦基催化劑，表1為某催化劑廠家對未使用的催化劑樣品化學成分檢測結果。

表1 未使用的催化劑樣品化學成分檢測結果

根據表1中催化劑的化學成分檢測結果可知，催化劑自身不含有As，因此，脫硝系統煙氣中的As主要來自于煤炭。

2 SCR催化劑砷中毒機理

SCR催化劑砷中毒是化學中毒其中之一，主要是由于煤炭在高溫燃燒過程中，發生強烈的氧化作用，使煤炭中的As釋放出來，形成氣態砷的化合物As2O3，As2O3擴散進入到催化劑的表面和微孔內，并同時吸附在催化劑的活性位和非活性位上，使煙氣在催化劑內的擴散受到限制，阻礙催化反應進行，造成催化劑失活。砷中毒的反應機理見圖1。

圖1 催化劑砷中毒反應機理

3 對脫硝系統運行及下游設備的影響

以東北地區某燃煤電廠300MW機組SCR脫硝系統催化劑砷中毒為例，列舉出由于催化劑砷中毒而導致脫硝系統及下游設備在實際運行當中的影響。

3.1 脫硝效率下降

在該機組停機檢修時，委托了兩家不同的相關公司（以下稱A、B公司）對SCR催化劑進行了取樣和檢測，其中根據A公司的檢測結果顯示，該機組脫硝系統在運行4000h后，催化劑比表面積沒有發生變化，而催化劑活性相當于降低了29%，模擬條件下脫硝效率由70%下降到50%，具體情況見圖2。

圖2 脫硝效率與運行時間變化情況

B公司同樣對該機組催化劑進行了取樣檢測，通過檢測結果可知，由于在催化劑活中檢測出As2O3過量，導致催化劑活性降低，在模擬條件下脫硝效率由67.58%降到55.01%，具體檢測結果見表2。

表2 催化劑活性檢測結果

3.2 氨逃逸超標

由于催化劑活性降低，為了確保出口NOX達標，維持既定的脫硝效率，勢必要加大脫硝系統的噴氨量，噴氨量的加大會使NH3/NOX摩爾比增加，進而導致氨逃逸濃度升高。通過查閱DCS歷史曲線，對比2015年2～4月和6～8月期間的相關歷史曲線發現，在一定的脫硝效率下，6～8月期間的氨逃逸濃度超過3ppm的情況要多于2～4月期間，并且在6～8月期間氨逃逸濃度達到了10ppm以上。

3.3 空預器腐蝕

鍋爐燃燒時產生的SO2，SO2在積灰中的活性物質或者催化劑中的活性組分的作用下，氧化形成SO3，一部分SO3與煙氣中的水蒸氣會結合形成H2SO4蒸氣，另外一部分SO3與SCR反應器中過量的氨反應生成NH4HSO4酸性物質，經過SCR反應器和空氣預熱器熱段后，排煙溫度降低，當溫度降至185℃以下時，煙氣中已生成的液態NH4HSO4會在空氣預熱器低溫段傳熱元件上凝固下來，導致空氣預熱器煙氣入口流場分布發生不同程度的變化，造成空氣預熱器低溫段積鹽、結垢與腐蝕。該機組在設備檢修過程中發現空氣預熱器低溫段不同部位出現了較大面積的腐蝕痕跡，特別是在煙氣流速較低的死角處，部分區域傳熱元件發生嚴重損壞，具體情況見圖3。