燃煤電站SCR催化劑失活機理及其壽命管理的研究綜述

丁戰

摘? 要：催化劑是燃煤電站SCR系統實現氮氧化物氣體污染物（NOx）有效脫除的核心部分，而燃煤電站SCR脫硝系統運行過程中普遍存在催化劑失活、使用壽命較短的運行問題。該文從物理失活和中毒失活兩個角度介紹了SCR脫硝催化劑的失活機理，總結了催化劑失活方程，進而提出應根據失活方程合理管理催化劑壽命，制定合理的催化劑更換策略。

關鍵詞：SCR催化劑? 失活機理? 失活方程? 催化劑壽命

中圖分類號：X701.7 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0083-02

我國電力行業的主要燃煤發電站為主，其燃燒過程中產生的氮氧化物已經成為我國主要的大氣污染物之一。大氣中的氮氧化物（NOX）極易引起溫室效應、酸雨、光化學污染等環境問題，危害生態環境和人類身體健康。目前，以NH3作為還原劑的選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術是國內外應用最廣泛，技術最成熟的一項煙氣脫硝技術。

SCR脫硝系統中，催化劑是整個系統的核心部分，價格昂貴，初步裝備催化劑的費用占據整個脫硝系統總投資的30%～50%。實際運行中，催化劑長期處在高溫高塵的環境下，易發生燒結，孔道堵塞和催化劑磨損的問題，并且由于煙氣成分復雜，常常使得催化劑中毒，活性降低，進而導致脫硝系統脫硝效率低、NOx排放超標。由于各種物理和化學的原因，現役的SCR催化劑往往無法達到設計運行時長，不僅造成極大經濟浪費，增加系統運行成本，而且會對環境造成負擔。該文主要對SCR催化劑失活原因進行分析總結，對SCR催化劑壽命管理的研究進展進行系統的闡述，以期使讀者對SCR催化劑失活及壽命管理有深入的了解，為從事燃煤電站SCR脫硝的行業人員提供一定的理論支持。

1? SCR催化劑失活機理

1.1 SCR催化劑的物理失活

國內電廠脫硝裝置處于高溫高壓運行狀態，大多采用以釩鈦基為主的板式商用催化劑，催化劑活性溫度在250℃～450℃[1]。長期暴露在高溫環境下，催化劑微晶尺寸將逐漸增大，催化劑載體和活性組分產生聚集，活性組分揮發，導致催化劑燒結失活，且催化劑燒結是不可逆失活，目前暫無方法對燒結失活后的催化劑進行再生處理。有研究表明，當SCR脫硝系統溫度高于500℃時，催化劑將出現嚴重失活[2]，因此，運行工程中的SCR脫硝系統需要保持溫度穩定在一合理區間，避免引起催化劑燒結失活。

現役的SCR脫硝系統由于脫硝系統設計不合理及催化劑機械強度不足等問題，攜帶有大量飛灰顆粒的高速煙氣沖刷催化劑，一方面磨損催化劑，加劇流場不均勻性，降低催化劑活性，進而影響脫硝效率;另一方面，持續的高速沖刷極易引起催化劑坍塌，危害機組運行。此外，飛灰顆粒與煙氣中的銨鹽等在催化劑表面沉降富集，堵塞催化劑反應通道及內部微孔結構，減少了催化反應面積，加劇煙氣流通阻力，導致催化劑活性降低，機組壓降增加，影響機組安全運行。

1.2 SCR催化劑的中毒失活

煙氣中存在的堿金屬、金屬氧化物、汞（Hg）和砷（As）以及水和硫化物等都會導致催化劑中毒，從而降低催化劑反應活性，影響脫硝效率。有研究表明[3]，煙氣中的Na和K是催化劑中毒的主要原因，Na和K金屬具有良好的附著力和可溶性，影響催化劑活性成分中的B酸位點，進一步影響反應中間體NH4+的形成。煙氣中存在的CaO雖然與催化劑活性成分的親和力較差，但是其與SO2和SO3反應CaSO4會堵塞催化劑微孔，導致催化劑鈍化失活，同時，Ca也具有與堿金屬相同的毒化機理，抑制NH3的B酸位點。相對于堿金屬，CaO對催化劑得毒化作用相對較小。

國內燃煤電站SCR脫硝系統通常布置于脫硫裝置前，煙氣中存在大量SO2。催化劑對部分SO2氣體有促進氧化的作用，生成的SO3與未反應的氨氣和煙氣中微量的水分反應生成硫酸氨和硫酸氫氨。

硫酸氫氨具有較強的黏性，附著于催化劑表面，阻礙煙氣與催化劑接觸，降低脫硝效率，并且硫酸氫氨會堵塞下游設備，造成空預器壓阻增大，機組能耗增加，不利于機組穩定運行。

2? SCR催化劑壽命管理

影響催化劑反應活性的原因有很多，為了增加催化劑使用壽命，不僅要對脫硝系統進行運行優化，而且要制定合理的催化劑更換方案。近年來，基于SCR脫硝系統脫硝效率的催化劑使用壽命管理研究得到廣泛關注，從另一角度預測了催化劑失活特性，提出了催化劑更換策略。SCR催化劑使用壽命包括化學壽命和機械壽命，化學壽命即滿足脫硝系統脫硝效率大于85%，氨逃逸濃度小于3ppm，SO2/SO3轉換效率小于1%時的使用壽命，通常化學壽命僅有24000h左右，而催化劑機械壽命100000h以上，因此，研究SCR催化劑化學壽命意義重大。

目前，根據國內外相關研究和工程數據，只考慮以NO為主的選擇性催化還原反應，得到了SCR催化劑活性方程為：

（1）

式中，KNO為催化劑活性，h-1;AV為催化劑面速度，h-1;XNO為NO的轉換率。由此得出的SCR催化劑失活方程為：

（2）

式中，k0為催化劑初始活性，h-1;t為催化劑使用時間，h;A為催化劑失活速率。催化劑失活速率可根據實際測得的催化劑活性、催化劑初始活性和使用時間計算得出，由此可得出催化劑失活函數，最后由NO轉換率與脫硝效率之間的關系，得出當前催化劑活性及剩余壽命，對催化劑活性及壽命進行準確的預估，及時更換催化劑。

國內燃煤電站SCR脫硝系統通常布置3層催化劑以滿足超低排放標準，當催化劑活性無法滿足系統運行需要時，應及時更換催化劑。雖然各層催化劑服役時間一致，但是第一層催化劑更接近煙道，流場更為復雜，易失活，所以傳統催化劑跟換策略是從上到下依次更換活性較低的一層催化劑。然而傳統催化劑更換方案成本較大，且不利于機組經濟運行，有研究顯示，通過催化劑活性方程和失活方程，合理調換催化劑可以增加催化劑整體潛能，延長催化劑使用壽命，降低催化劑更滑成本，對催化劑壽命管理技術具有重大實際意義[3]。

3? 結語

影響催化劑活性的因素有溫度、飛灰、系統流場及煙氣成分，根據失活機理可以分為物理失活和化學失活兩大類。該文分析總結了燃煤電站SCR催化劑失活的原因，闡述了各失活機理對SCR脫硝系統的影響，得出依據各失活機理管理催化劑較為困難，進而介紹了目前被廣泛認可的催化劑活性方程和催化劑失活方程。根據催化劑失活方程可以準確預測各催化劑當前活性及剩余壽命，幫助運行人員判斷催化劑使用狀況，為發電企業制定合理的催化劑更換策略，降低催化劑更換成本。

參考文獻

[1] 楊曉寧.火電廠SCR催化劑失活機理研究綜述[A].中國節能協會熱電產業聯盟.2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR脫硝系統運行管理及氨逃逸監測、空預器堵塞與低溫省煤器改造技術交流研討會論文集[C].中國節能協會熱電產業聯盟：北京中能聯創信息咨詢有限公司，2016：6.

[2] 胡小夫.釩鈦系SCR脫硝催化劑失活機理及循環再生技術[A].《環境工程》編委會，工業建筑雜志社有限公司.《環境工程》2018年全國學術年會論文集（中冊）[C].《環境工程》編委會，工業建筑雜志社有限公司，《環境工程》編輯部，2018：7.

[3] 李德波，廖永進，徐齊勝，等.燃煤電站SCR脫硝催化劑更換策略研究[J].中國電力，2014，47（3）：155-159.