燃煤電廠煙氣SCR脫硝催化劑性能及失活研究

李茗

摘 要：本文分析了在燃煤電廠中煙氣SCR脫硝催化劑性能及失活原因。分析了SCR脫硝的主要原理、飛灰引起的堵塞、SCR催化劑中毒以及硫酸鹽引起的堵塞等引起催化劑失活的原因，并以某電廠的實(shí)際案例數(shù)據(jù)分析了灰塵堵塞導(dǎo)致了催化劑的失活，以及催化劑中毒導(dǎo)致了脫硫效率的明顯下降。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；脫硝；SCR催化劑；失活

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.165

1 引言

眾所周知，硫化物及氮化物是目前大氣的主要污染物，而燃煤電廠又是這兩類污染物的主要來源。隨著環(huán)保技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)硫化物污染物的控制得到了較好的發(fā)展，但是針對(duì)氮化物的污染物控制技術(shù)還在進(jìn)行中。

選擇性催化還原法（SCR）目前全球范圍內(nèi)應(yīng)用效果最好的控制電廠氮化物排放的方法，此項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)處于起步階段，處于相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)吸收階段。在此方法中，催化劑的選擇非常重要，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心技術(shù)，其投資額也占到了整個(gè)脫硝系統(tǒng)投資額的30%～50%，目前我國實(shí)際運(yùn)行的SCR系統(tǒng)催化劑幾乎全部依賴于進(jìn)口，消耗了國家大量的外匯儲(chǔ)備。所以除了加快進(jìn)行此類催化劑的國產(chǎn)化研究外，積極針對(duì)其性能及失活原因進(jìn)行研究也具有重要意義，其可以在一定程度上使得催化劑再生，延長催化劑使用壽命，最終大幅降低燃煤電廠脫硝系統(tǒng)的整體運(yùn)行成本。也可以為國內(nèi)加快催化劑的國產(chǎn)化研究，打破國外壟斷奠定良好的研究基礎(chǔ)。

2 SCR催化劑

（1）SCR催化劑簡介。在我國燃煤電廠中，針對(duì)氮氧化物進(jìn)行控制的技術(shù)主要分為兩個(gè)方面：其中一項(xiàng)為低NOx濃度的鍋爐燃燒技術(shù)，另一項(xiàng)就是針對(duì)煙氣的脫硝技術(shù)。而煙氣的脫硝技術(shù)又分為SCR與SNCR兩種技術(shù)，其中SCR脫硝技術(shù)是目前比較成熟且已經(jīng)進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用的技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)在美國、日本、歐洲等西方發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)行穩(wěn)定、脫硝效率高、成本低且便于維護(hù)等。

（2）SCR催化劑原理。燃煤電廠對(duì)煙氣進(jìn)行SCR脫硝的主要原理是在一定的溫度及催化劑作用下，NH3可以將煙氣中的NOx進(jìn)行還原，生成氮?dú)夂退诖诉^程中，催化劑的主要作用是使得此反應(yīng)能夠在較低溫度下進(jìn)行，其反應(yīng)方程式為：

3 SCR催化劑性能及失活原因分析

在電廠的運(yùn)行過程中，當(dāng)采用SCR系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝處理時(shí)，催化劑可能發(fā)生失活的現(xiàn)象，引起這種現(xiàn)象的主要原因包括飛灰引起的堵塞、SCR催化劑中毒以及硫酸鹽引起的堵塞等。

（1）失活原因分析。1）飛灰引起的堵塞。飛灰引起的催化劑堵塞的基本機(jī)理是隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，灰粒會(huì)首先聚集在反應(yīng)器上游，隨著聚集度不斷提高，細(xì)小的灰粒就會(huì)附著在催化劑表面，進(jìn)而形成搭橋，導(dǎo)致催化劑的堵塞。此種原因引起的催化劑失活是一種物理過程，其造成的催化劑失活也是可以處理的，例如周期性地進(jìn)行吹灰、調(diào)節(jié)氣流分布、合理的催化劑間距等措施都可以減少催化劑表面積灰。2）SCR催化劑中毒。SCR催化劑中毒主要分為堿金屬中毒與砷金屬中毒。其中堿金屬中毒分為活性堿中毒與非活性堿中毒兩種，而引起催化劑中毒的主要堿金屬氧化物一般是堿性比較明顯的氧化鉀以及氧化鈉等。氧化鉀對(duì)催化劑的毒性非常強(qiáng)，隨著氧化鉀含量的升高，催化劑的脫硝效率急劇下降。另外氧化鈣也會(huì)引起催化劑中毒，但是它的毒性較小，其與催化劑之間的作用速度比較慢，一般被認(rèn)為是引起催化劑中毒的次要因素。

而當(dāng)系統(tǒng)中飛灰濃度較低時(shí)，砷金屬中毒就成為了SCR催化劑活性降低的主要原因。這是由于煙氣中存在的三氧化二砷可以固化在催化劑的活性和非活性區(qū)，使得催化劑的氧化還原反應(yīng)收到限制，這種限制是不可逆的，所以影響非常大。針對(duì)此種現(xiàn)象的主要措施是減少原煤中的砷含量、減少煙氣中砷含量等。

3）硫酸鹽引起的堵塞。這種堵塞的主要機(jī)理是由于煙氣中的二氧化硫會(huì)在催化劑的作用下被氧化成三氧化硫，而此反應(yīng)生成的三氧化硫可以和水、氨氣等反應(yīng)生成硫酸氨與硫酸氫氨，不僅浪費(fèi)了氨氣，也造成了對(duì)催化劑的堵塞。所以此時(shí)需要將反應(yīng)溫度提高到300攝氏度，并對(duì)五氧化二釩等催化劑中釩的擔(dān)載量控制在1%左右。

（2） 案例分析。某燃煤電廠的煙氣SCR脫硝系統(tǒng)使用的是運(yùn)行22 020h的催化劑，首先為了測試導(dǎo)致催化劑失活的灰塵堵塞情況，測量了使用前和使用后催化劑的前端與中尾部的比表面積值，見表1。

從表中可以看出，從前端到尾部，催化劑的比表面積逐漸降低，說明前端受到了灰塵最大的影響。

另外，對(duì)催化劑的活性進(jìn)行測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在模擬煙氣的條件下，初次使用的催化劑，其SCR脫硝效率高達(dá)91%，此時(shí)溫度為350℃。但是隨著反應(yīng)進(jìn)程的進(jìn)行，運(yùn)行一段時(shí)間（約100分鐘左右）后，前端催化劑的最大脫硝效率降低為35%左右，中部催化劑的最大脫硝效率降低為45%左右，尾部催化劑的最大脫硝效率降低為57%左右，都比初次使用時(shí)的活性明顯下降，表明催化劑中有效成分出現(xiàn)缺失，即催化劑出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文主要研究的是在燃煤電廠中，針對(duì)煙氣SCR脫硝催化劑性能及失活的簡單分析，從中分析了SCR脫硝的主要原理，并分析了飛灰引起的堵塞、SCR催化劑中毒以及硫酸鹽引起的堵塞是引起催化劑失活的主要原因，以某電廠的實(shí)際案例數(shù)據(jù)分析了灰塵堵塞導(dǎo)致了催化劑的失活，以及催化劑中毒導(dǎo)致了脫硝效率的明顯下降。

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