燃煤電廠失效脫硝催化劑的處理現狀及前景

孟 維

（大唐環境產業集團股份有限公司環保分公司 北京 100098）

燃煤電廠失效脫硝催化劑的處理現狀及前景

孟 維

（大唐環境產業集團股份有限公司環保分公司 北京 100098）

介紹了燃煤電廠失效脫硝催化劑的現狀以及催化劑失效的原因，并詳細介紹了失效催化劑的處理思路和處理方式，主要是再生處理和回收處理，并展望了失效催化劑的處理新思路。

失效催化劑；再生處理；回收處理

引言

我國的燃煤量約占全世界燃煤量的50%。國家統計局數據顯示，我國2015年煤炭消費量雖然下降，但煤炭仍然是我國的主體能源。中電聯數據顯示，2015年中國發電裝機總容量15.07億千瓦，其中煤電裝機8.84億千瓦，比重58.7%；2015年全國發電量5.60萬億千瓦時，其中煤電3.76萬億千瓦時。燃煤電廠是大氣污染物排放控制的最關鍵要素。從2003年以后，我國經濟進入快速發展的階段，燃煤發電也在快速增長，對環境的壓力越來越大，2012年，國家實施了國內外最嚴格火電廠的排放標準。截止到2014年底，90%以上的燃煤電廠都安裝了煙氣脫硫和脫硝裝置[1]。2005～2015年全國火電廠煙氣脫硝機組情況見圖1。2015年底我國火電裝機容量將接近8.9億千瓦，SCR脫硝催化劑總用量近80萬立方米，脫硝催化劑一般使用3年后將更換，目前，2012年前安裝的脫硝催化劑已經進入更換期，總量在10萬立方米左右，預計在2020年后廢棄脫硝催化劑量穩定在20萬～25萬立方米/年。大量的SCR脫硝催化劑將對我國的土壤和水體環境造成巨大的壓力。

圖1 2005～2015年全國火電廠煙氣脫硝機組情況

1 失效催化劑面臨的問題

目前SCR催化劑基本都是以TiO2為基材，以V2O5為主要活性成份，以WO3、MoO3為抗氧化、抗毒化輔助成[2]。由于脫硝催化劑包含五氧化二釩、三氧化鎢等重金屬成分，國家環境保護部于2014年8月正式發布了《關于加強廢煙氣脫硝催化劑監管工作的通知》，將廢煙氣脫硝催化劑（釩鈦系）納入危險廢物進行管理，并將其歸類為《國家危險廢物名錄》中“HW49其他廢物”[3]。因此，每年淘汰的如此大量的廢棄催化劑如不進行妥善處置，勢必對環境造成巨大的二次污染，同時也會造成催化劑中貴重金屬資源的浪費。

2 脫硝催化劑的失效原因

催化劑失效原因[4-6]包括：磨蝕和堵塞、催化劑中毒以及溫度過高引起催化劑燒結等。

2.1 磨蝕和堵塞

磨蝕主要是煙氣中灰塵撞擊催化劑表面造成的，這種情況造成的催化劑失效是不可逆的過程。催化劑孔內流速過高，煙氣粉塵濃度高，流場問題都會加劇磨損。而堵塞主要是高濃度的煙塵或者是過低的煙氣流速，導致飛灰粘附在催化劑的活性部位，引起催化劑鈍化。

2.2 催化劑中毒

煙氣中的有害物質（如堿金屬和砷等物質）與催化劑發生反應是造成催化劑中毒的主要原因。

2.3 燒結

溫度過高會使催化劑結構和性能發生變化，從而使催化劑燒結。若煙氣溫度長時間維持在450℃以上會使催化劑活性大大降低。

3 催化劑處理方式

脫硝催化劑是SCR技術的核心部件，使用約三年后進行更換，根據脫硝催化劑的失活原因從而對失效催化劑進行再生處理或回收。

3.1 失效催化劑的再生處理

這是將失活的催化劑通過一系列物理或化學程序，恢復其部分活性，使其能夠再次達到所需性能的一種方式。催化劑再生需要在現場采用專用工具進行該一系列的操作，通常的程序包括應用嚴格的物理方法去除沉淀粉塵，再采用化學解決方案對失活催化劑進行再生，可將失活催化劑的化學活性恢復[7]。典型的脫硝催化劑再生流程見圖2。再生后催化劑的脫硝活性可以恢復新催化劑的90%；磨損強度和機械強度分別可達新催化劑的87.95%和88.90%；SO2氧化率等性能指標可以與新催化劑接近，再生后催化劑的SO2/SO3轉化率小于1%，再生后催化劑的機械壽命應大于5年，化學壽命應大于1.6萬小時[8]。

在實際的處理過程中，通常需要先對失效催化劑的失活原因進行取樣分析，再制定具體的再生程序。因此，這些工作需要具有專利技術的國外專業公司進行操作，才能在不損傷催化劑的前提下恢復一定的活性。而再生的效果亦取決于催化劑的失活原因，物理原因例如堵塞，再生的效果要好一些，化學原因則需要看催化劑的變質是否屬于不可逆轉的機理，以及可恢復活性的程度。催化劑再生的成本則取決于再生程序的復雜程度，復雜的再生程序成本有時會高于替換同體積的全新催化劑，因此在采用該種方式處理實效催化劑時，需要綜合考慮經濟與遠期運行的效果。

圖2 典型的脫硝催化劑再生流程

3.2 失效催化劑的回收處理

失效催化劑的常用回收方法可分為間接回收法和直接回收法[9]。其中直接回收法又可分為分離法和不分離法，間接回收法可分為干法、濕法和干濕結合法。受到各種因素的制約，以及回收效益的影響，一般失效催化劑的回收方法多采用間接回收法。間接回收法主要分為：

（1）干法回收工藝

干法回收是用固體堿與廢催化劑混合，在空氣中灼燒熔融，使其中的V2O5轉變為水溶性的釩酸鹽。加水溶解K3VO4，分離TiO2和K3VO4，將溶液煮沸，釩酸鹽水解析出V2O5。干法提釩一般燃料及堿消耗量大，回收釩成本高。同時，由于廢催化劑中SiO2，Al2O3等雜質元素焙燒時，釩轉化為不溶于水的含釩硅酸鹽，釩氧化物從水浸出率降低，詳細工藝需進一步研究。

（2）濕法回收工藝

催化劑經使用后，其中的釩主要以V2O5和VOSO4形式存在，后者所占比例有時可達40%～60%。催化劑中低價含釩鹽易溶于酸而難溶于堿，而V2O5易溶于堿難溶于酸，因而可用酸液或堿液浸取，一些研究大都用酸浸取[10]。

濕法回收催化劑成分的工藝為一般可分為：沉淀法、萃取法和離子交換法等物理化學方法[9]。沉淀法主要是在一些介質中釩酸、鎢酸和鉬酸的溶解度不同，可以通過溫度的升高，來實現釩鎢鉬的分離；萃取法主要通過萃取劑（如TBP、R2SO等）實現釩鎢鉬的可溶性鹽溶液的分離；離子交換法是通過鎢鉬酸根在離子交換樹脂吸附的差異，從而對鎢鉬進行分離。

廢棄脫硝催化劑再生與回收技術是具有創新性和巨大的市場應用前景的技術，該項技術也成為各催化劑生產廠的研究熱點。

4 脫硝催化劑處理技術的前景

在SCR法中對于脫硝催化劑的投資很大，并且未來幾年催化劑的更換量很大，大量的失效催化劑需要合理處置，找到更加經濟、環保并且可以實現資源循環利用的途徑勢在必行。目前失效催化劑的再生技術和回收技術可以有效延長催化劑的使用壽命，并減少了失效催化劑的處置費用和給環境帶來的二次污染，實現資源的循環利用。但是現有催化劑的處理技術仍有很多技術難題需要解決，比如處理成本問題，有些情況下，催化劑再生的處理成本甚至超過催化劑生產的成本。

催化劑處理技術作為我國環保產業的新興技術，技術上還面臨著很大的挑戰，但這對于國內很多企業也意味著重大機遇，這需要國內的專家及企業不斷創新，研發適合我國的SCR脫硝催化劑處理技術和裝備。

[1]中國環境保護產業協會脫硫脫硝委員會.脫硫脫硝行業2015年發展綜述[J].中國環保產業,2017,1:6-21.

[2]夏懷祥.選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝[G].燃煤電站煙氣污染物排放控制工程技術叢書,2012:24-26.

[3]李金惠,楊連威.危險廢物處理技術[M].北京:中國環境科學出版社,2006.

[4]強華松,劉清才.燃煤電廠SCR脫硝催化劑的失活與再生[J].材料導報,2008,(22):285-287.

[5]劉慷,張強,虞宏等.火電廠脫NOx用SCR催化劑種類及工程應用[J].電力環境保護,2009,25(4):10-12.

[6]陳其顥,朱林.SCR失效催化劑及其處置與再利用技術[J].電力科技與環保,2012,28(3):27-28.

[7]徐曉亮,黃麗娜,廖明烽.SCR脫硝催化劑循環再利用的研究進展[J].綠色科,2011,(6):6-9.

[8]王春蘭,宋浩,韓東琴.SCR脫硝催化劑再生技術的發展及應用[J].技術與工程應用,2014,4:22-25.

[9]林德海,宋寶華,王中原.廢棄SCR脫硝催化劑資源回收[J].山東化工,2013,42:8-10.

[10]Brett M B,Jammi M C,Dmitriy L,et al.Diazene(HN=NH)is a substrate for nitrogenase:insights into the pathway of N2 reduction[J].Biochemistry,2007,46(23):6784-6794.

孟維（1990-），碩士研究生，從事燃煤電廠煙氣處理工作，具有豐富的工程設計經驗。