煙氣脫硝裝置催化劑失活原因分析及其防止措施

孫灝

【摘 要】 在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中，脫硝催化劑的反應(yīng)活性對脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行均具有重要的意義。本文介紹了目前國內(nèi)主要使用的煙氣脫硝催化劑的成分、類別及型式，對導(dǎo)致脫硝催化劑活性失活原因進(jìn)行了分析，提出了防止催化劑失活的技術(shù)措施。

【關(guān)鍵詞】 火電廠 煙氣脫硝 SCR 催化劑 活性

1 煙氣脫硝催化劑介紹

目前國內(nèi)火電廠煙氣脫硝主要采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝。SCR脫硝裝置用催化劑主要采用V2O5—WO3/TiO2型金屬氧化物催化劑。在催化劑主要成分中V2O5為活性組分，WO3為助劑，TiO2為載體。載體的性能對催化劑活性有重要影響，目前脫硝催化劑均采用納米級TiO2作為載體組分。這是因?yàn)榧{米TiO2具有較大的比表面積，可有效降低催化劑的裝填體積；其次煙氣中的SO2和O2對催化劑中的TiO2只有微弱的可逆硫化作用，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；另外TiO2所具有的獨(dú)特的電子云結(jié)構(gòu)以及TiO2與V2O5直接良好的電子作用，可使催化劑具有良好的催化還原活性。

SCR脫硝催化劑型式可分為三種：板式、蜂窩式和波紋板式。板式催化劑以不銹鋼金屬板壓成的金屬網(wǎng)為基材，將TiO2、V2O5、WO3等組分的混合物黏附在不銹鋼網(wǎng)上，經(jīng)過壓制、鍛燒后，將催化劑板組裝成催化劑模塊。蜂窩式催化劑一般為均質(zhì)催化劑。將TiO2、V2O5、WO3等組分的混合物料通過成型模具擠出，制成截面為150mm×150mm長度不等的催化劑坯料，再經(jīng)過壓制、鍛燒后支持催化劑元件，然后組裝成為截面約為2m×1m的標(biāo)準(zhǔn)模塊。波紋板式催化劑的制造一般現(xiàn)用玻璃纖維加強(qiáng)過的TiO2制成為基材，將WO3、V2O5等活性成份浸漬到催化劑基材的表面，以達(dá)到提高催化劑活性、降低SO2氧化率的目的。目前蜂窩式催化劑占據(jù)了約70%份額市場。

2 催化劑失活原因分析

2.1 催化劑中毒

所謂催化劑中毒，指的是由于燃料中各種化學(xué)成分與催化劑本身發(fā)生了或物理或化學(xué)的反應(yīng)，造成催化劑失去活性，無法再促使氮氧化物與氨的反應(yīng)，是催化劑劣化的一個(gè)重要成因。其中一旦發(fā)生化中毒，催化劑將很難恢復(fù)原有脫硝性能，甚至有時(shí)會(huì)導(dǎo)致完全失活。

根據(jù)多年SCR運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及追蹤項(xiàng)目運(yùn)行狀況后，總結(jié)得出造成催化劑中毒大致分為以下幾種機(jī)理。第一種為堿金屬中毒，包括鈉、鉀等堿金屬，直接與催化劑活性區(qū)域反應(yīng)，從而使之成為惰性的。第二種為重金屬中毒，如砷等，擴(kuò)散進(jìn)入催化劑，并在活性和非活性區(qū)域固化。第三種為堿土金屬中毒，如鈣等，和催化劑表面吸收的SO3 反應(yīng)生成硫酸鹽，引起催化劑表面被覆蓋。

2.2 催化劑堵塞

催化劑堵塞主要有兩個(gè)原因造成，飛灰的沉積與氨鹽的沉積。煙氣中飛灰會(huì)沉積在催化劑表面，如不及時(shí)去除將會(huì)導(dǎo)致催化劑單元孔堵塞，然后將會(huì)逐步擴(kuò)展至整個(gè)單元以至于整個(gè)模塊。而氨鹽的沉積主要會(huì)堵塞催化劑內(nèi)部微孔，微孔堵塞阻礙NOx、NH3、O2到達(dá)催化劑活性表面，從而引起催化劑鈍化。

2.3 催化劑燒結(jié)

長時(shí)間暴露于450℃以上的高溫環(huán)境中可引起催化劑活性位置（表面）燒結(jié)，導(dǎo)致催化劑顆粒增大，比表面積減小，一部分活性組分揮發(fā)損失，因而使催化劑活性降低。鍋爐啟動(dòng)過程中粘附在催化劑表面的油污也會(huì)造成催化劑的燒結(jié)。

3 催化劑失活的防止措施

要很好地防止催化劑中毒，在脫硝裝置及脫硝催化劑設(shè)計(jì)選型階段，脫硝設(shè)計(jì)單位應(yīng)聯(lián)合催化劑廠商，依靠多年積累的脫硝系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，充分了解導(dǎo)致各項(xiàng)致毒機(jī)理與對催化劑影響的程度，根據(jù)設(shè)計(jì)工況合理選擇催化劑的體積與配方。特別重要的是，要選擇合理的催化劑孔數(shù)、間距及活性物質(zhì)比例。

其次用戶在脫硝裝置運(yùn)行使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照SCR操作運(yùn)行手冊進(jìn)行系統(tǒng)操作，避免催化劑與液體產(chǎn)生接觸或在不恰當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間運(yùn)行等錯(cuò)誤導(dǎo)致的催化劑中毒。催化劑的中毒情況，受到燃料里各種致毒物的數(shù)量和濃度的影響，需要用戶根據(jù)脫硝裝置供應(yīng)商所推薦的頻率和方法進(jìn)行燃料和灰分的分析，并將分析報(bào)告保留一定長的時(shí)間（至少一年）提供給脫硝裝置供應(yīng)商或催化劑廠商，為將來試驗(yàn)分析用。

飛灰中的大顆?；?，其顆粒直徑大，會(huì)堵塞住催化劑表面的毛細(xì)孔，減少反應(yīng)面積。為防止催化劑堵塞，需要在進(jìn)入SCR反應(yīng)器前將其收集掉。設(shè)計(jì)單位應(yīng)合理設(shè)計(jì)SCR入口煙道結(jié)構(gòu)，改善煙氣流速及流場，減少煙氣中的煙塵沉降。如果原有鍋爐無省煤器灰斗應(yīng)設(shè)置SCR反應(yīng)器入口灰斗，如省煤器灰斗無法正常使用應(yīng)對省煤器出口灰斗進(jìn)行改造。

當(dāng)灰分含量過大時(shí)，小顆粒灰的未及時(shí)清理所造成的沉積問題，同樣可能會(huì)堵塞住催化劑表面的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)。要解決這個(gè)問題，主要從三方面來考慮。首先從SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，應(yīng)將SCR裝置采取垂直流設(shè)置；同時(shí)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)合適的煙氣流速；最重要的是通過SCR正確的煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和規(guī)劃，計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)和冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，來獲得催化劑表面煙氣流量與飛灰的均衡分布。其次要綜合考慮實(shí)際的工況與灰量，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行累積數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證結(jié)果選擇合適的間距與開孔尺寸，將飛灰沉積的問題最小化。最后，安裝吹灰裝置，根據(jù)運(yùn)行情況選擇合理的吹灰頻率，也是防止該問題的有效途徑。

氨鹽沉積的問題可以通過合理的設(shè)計(jì)和運(yùn)行SCR系統(tǒng)來解決。設(shè)計(jì)合適的催化劑體積，避免NH3的逃逸，同時(shí)運(yùn)用合理的催化劑配方，降低SO2到SO3轉(zhuǎn)化率。通過合理的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是混合裝置的設(shè)計(jì)，使催化劑表面煙氣濃度達(dá)到均布。而在運(yùn)行過程中，注意停止噴氨的溫度，使SCR運(yùn)行溫度在氨鹽形成之上，同時(shí)選擇合適的氨氮摩爾比，就能避免氨鹽沉積的問題。

脫硝催化劑能夠長期承受的溫度不得高于420℃，短期承受的，超過該限值，而因此我司規(guī)定SCR反應(yīng)器入口溫度在，進(jìn)行，已充分利用催化劑的活性。

脫硝催化劑的運(yùn)行溫度區(qū)間在300至420℃之間，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)煙氣脫硝系統(tǒng)可正常噴氨運(yùn)行。溫度低于300℃時(shí)催化劑的活性下降，同時(shí)容易產(chǎn)生硫酸氫氨黏結(jié)煙氣中灰塵堵塞催化劑以及空預(yù)器，因此煙氣溫度低于300℃時(shí)脫硝系統(tǒng)應(yīng)停止噴氨退出運(yùn)行。溫度高于450℃會(huì)導(dǎo)致催化劑燒結(jié)損壞，因此煙氣溫度高于450℃時(shí)超溫保護(hù)應(yīng)投入整臺應(yīng)機(jī)組應(yīng)停運(yùn)。

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