SCR脫硝催化劑反應活性探討

春國成

（大唐陜西府谷煤電有限責任公司，陜西榆林719400）

SCR脫硝催化劑反應活性探討

春國成

（大唐陜西府谷煤電有限責任公司，陜西榆林719400）

隨著我國對環保要求以及對氮氧化物排放指標要求的不斷提高，SCR脫硝技術在我國得到了廣泛的應用，SCR脫硝催化劑性能的好壞直接關系到脫硝系統的運行效果。通過對實際生產中因積灰堵塞、磨損和中毒使催化劑失活的原因分析，提出在設計和運行等方面的優化措施，以期能對延長催化劑壽命、降低運行費用提供參考。

SCR脫硝；催化劑；活性；措施

0　引言

煤經燃燒而產生的氮氧化物能誘發光化學煙霧、形成酸雨以及引起溫室效應。據統計，燃煤電站鍋爐產生的氮氧化物大約為煤燃燒氮氧化物產生總量的40%以上。實施氮氧化物的嚴格控制是我國實現經濟可持續發展和以及環境保護的客觀和必然的要求。

我國在“十二五”期間，首次把氮氧化物排放濃度列入了約束性指標體系之中，氮氧化物排放成為“十二五”期間控制污染物減排的重點。2011年7月29日，《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）把氮氧化物的排放標準調整為100mg/m3（標態），同時要求現役和新建火電企業的火電機組分別在2014年7月1日及2012年前達到氮氧化物質量濃度排放上限值100mg/m3（標態）的指標[1]。2014年9月12日，國家發展改革委、環保部、能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，明確指出：在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3。

日益嚴格的火電機組氮氧化物排放標準，使具備脫硝效率高、NH3/NOx摩爾比小、NH3逃逸和SO2/SO3轉化率低等優點的選擇性催化還原（SCR）法全煙氣脫硝技術成為我國火電企業煙氣脫硝的首選。

1　SCR脫硝技術概況

1959年，美國Eegelhard公司申請了SCR技術的發明專利；日本在1972年開始正式對該技術進行研究和開發，并在1978年實現了該技術的工業化應用；我國對SCR技術的研究最早始于二十世紀九十年代。目前國內SCR脫硝技術的制造企業已全面掌握了SCR脫硝技術，已能提供性能優異的電站煙氣脫硝成套裝置，尤其催化劑已經完全能在國內生產，完全具有成套裝置供應SCR脫硝裝置的能力。SCR法目前已成為工業上應用最廣泛的一種全煙氣脫硝技術，世界上目前有80%以上的煙氣脫硝方法采用的是SCR法脫硝技術。

SCR脫硝工藝原理為：空氣與NH3混合后噴入煙道，和鍋爐來的煙氣進行混合后通過SCR反應器的催化劑表面，混合物通過充分的還原反應轉化為氮氣水。SCR系統主要化學反應過程如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O（富氧狀態）

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O（缺氧狀態）

以上的第一個反應是最主要的，據統計，在經煤燃燒而產生的NOx產物中，NO占90%以上[2]。在催化劑不參與的情況下，該反應只在980℃左右的窄溫范圍發生。在合適催化劑的參與下，該反應溫度能降至290～430℃的火電廠實際使用的操作范圍。反應原理如圖1所示。

圖1　SCR脫硝還原反應原理圖

圖2　SCR工藝圖

在SCR脫硝過程中，也會有兩個主要的副反應發生，也就是SO2被氧化成SO3以及在320℃以下的溫度情況下SO3與逃逸的NH3發生反應生成NH4HSO4。此反應所生成的NH4HSO4液態下會在催化劑的表面吸附，致使SCR脫硝催化劑失去活性，同時也能使下游的空氣預熱器設備發生腐蝕現象，造成該設備傳熱性能降低和壓降增大。因此，SCR反應器運行過程中的反應溫度一般要控制在330℃以上[3]。

SCR脫硝目前一般按高含塵布置進行設計，即脫硝反應器布置于省煤器出口與空預器入口之間的煙道上，每臺鍋爐配兩臺SCR反應器，見圖2。

2　SCR脫硝催化劑運行中存在的問題

2004年11月，國華寧海電廠和臺山電廠600MW機組煙氣脫硝工程的啟動，標志著我國煙氣脫硝工作的正式起步。經過近十幾年的發展，我國的火力發電燃煤SCR煙氣脫硝工作取得了快速的發展。但在生產過程中也暴漏出一些實際問題需要去不斷探索和優化完善。

根據近些年國內投運的SCR煙氣脫硝項目的運行情況分析，SCR煙氣脫硝催化劑在運行中呈現出以下幾個方面的問題：

2.1催化劑堵塞

（1）在生產過程中煤經燃燒產生的大量飛灰以及由于脫硝中形成的氨鹽的顆粒沉積在于催化劑的表面或小孔之中，造成SCR脫硝催化劑的堵塞，嚴重阻礙氮氧化物、氨和氧到達催化劑的活性表面，使催化劑發生鈍化、活性降低。

（2）催化劑局部被堵塞會進一步造成催化劑的磨損，使脫硝系統的正常生產運行受到嚴重影響。

2.2催化劑磨損

（1）由于鍋爐系統產生的飛灰在高溫煙氣高流速狀況下與催化劑的表面發生碰撞，同時也由于SCR反應室設計不合理等原因使催化劑約30%的表面長期積灰造成局部嚴重堵塞，導致流經剩下催化劑剩下的暢通孔內煙氣流速提高了30%～50%。

（2）積灰面積過大造成的煙氣入射角提高，也進一步加劇了催化劑的磨損，使催化劑的整體結構逐漸變得疏松。

2.3催化劑中毒

煙氣中的氣態砷化物、Pt、Pb等重金屬和水溶性堿金屬Na、K、Ca等進入催化劑的內部并堆積，在催化劑的活性位置和其他物質發生反應，使催化劑的活性降低。

（1）系統煙氣中含的氣態砷化物分子首先在催化劑表面很容易與O2和V2O5發生反應，形成一個砷的飽和層。然后滲透到催化劑內部的微小空隙中，As2O3固化在活性，破壞了催化劑的毛細管，限制NH3等反應氣體在催化劑內的擴散，嚴重影響催化劑的活性，如圖3所示。

圖3　催化劑砷中毒

（2）隨著覆蓋在催化劑表面的堿金屬濃度的不斷增加，催化劑的活性也隨之不斷減弱。特別在有水參與的情況下，具有高流動性堿金屬很容易進入催化劑的內部，這對催化劑的毒害性將是持久的，如圖4所示。

圖4　催化劑堿金屬中毒

（3）Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O等堿金屬對催化劑的毒害性依次增強。另外，導致催化劑失去活性的也包含堿金屬的鹽類物質。

（4）液態水對于催化劑的活性影響巨大，其活性隨煙氣的含水率遞增會快速降低。因堿金屬在有水參與的情況下活性非常強，其會進一步滲入催化劑材料內部。煙氣含水率和催化劑活性的關系如圖5所示。

（5）另一方面，催化劑的毛細孔中凝結的水因系統升溫而會膨脹汽化，破壞催化劑的組織結構而使催化劑受損。

圖5　煙氣含水率對催化劑活性的影響

3　SCR脫硝催化劑活性措施

鑒于SCR法煙氣脫硝項目在實際生產運行中常出現的以上問題，在實際操作中可以考慮從以下幾個角度處理：

3.1優化系統設計

（1）優化設計煙氣通道、噴氨及混合系統、SCR反應室等關鍵系統，減小SCR系統的阻力，確保反應器中溫度場、流場的分布均勻，是實現最佳的催化劑工藝性能，消除SCR反應室入口截面上易形成高灰區、高速區和偏流區域，避免出現催化劑的堵塞和磨損。

（2）優化催化劑上游的省煤器出口灰斗外形，增大灰斗尺寸或在省煤器出口灰斗之上加裝導流擋板；同時可結合設置大灰濾網等預除塵設備，進一步增強攔截能力，避免煙氣中的大顆粒飛灰進入脫硝系統，維護系統的安全穩定運行。

（3）在SCR裝置煙道出口處設置合適的灰斗，并根據入爐煤的灰分、反應器內的溫度以及鍋爐吹掃方式和使用頻率合理設計調整催化劑層吹掃方式。

（4）在SCR裝置首層催化劑的床層上設計設置金屬絲網的格柵，并且使絲網的節間距離小于所選催化劑的孔徑。

（5）根據脫硝反應器現場的實際空間和系統阻力要求等因素，合理設計催化劑床層布置方式，有效提高催化劑的利用率。

（6）在催化劑入口邊緣部分采用硬化設計措施，提高邊緣硬度，抵御塵粒的沖擊磨蝕。

（7）對于脫硝改造項目的老電廠，要考慮新加裝脫硝裝置對已有設備的影響情況，需要改造的要統一考慮，確保整體系統設計的完善。

3.2加強工藝運行管理

（1）加強SCR裝置工藝人員知識培訓，系統熟練掌握相關操作技能。嚴格執行運行手冊要求，在運行操作過程中密切關注SCR系統阻力的變化、溫度變化、脫硝效率和NH3的逃逸等指標的變化，組建SCR系統的運行數據庫，不斷積累SCR脫硝裝置運行管理和系統維護經驗。

（2）加強吹灰操作、監控和管理工作。特別對于首層催化劑要采取聲波吹灰器與蒸汽吹灰裝置聯合作業，按工藝要求和實際運行情況及時調整吹灰方案，避免催化劑出現堵塞。

（3）燃用砷含量較高的煤時，可以在保證SCR脫硝催化劑活性的前提下，盡可能的降低反應溫度，促使氣態的砷元素自然凝聚成核。為減少砷元素在燃燒過程中的揮發量，可以適當采用高砷煤與高鈣灰的煤進行混燒，或者向爐膛內添加1%～2%的石灰石，砷與石灰石中的CaO進行反應，將氣態的砷固化為對催化劑沒毒害作用的固態CaAsO4。但CaO濃度過高時，形成的CaSO4的量亦會隨之增加，導致催化劑CaSO4的堵塞，因此在一定的砷濃度下，催化劑的使用壽命隨燃煤中的CaO含量的增大而先增大后逐漸減小。另一方面，采用在催化劑中添加Mo作助劑，其能夠改變砷的吸附位置，達到減弱砷對催化劑活性的不利影響。

3.3嚴格控制系統水凝結

（1）鍋爐點火啟動和SCR脫硝系統停運時期，催化劑處的溫度比較低，煙氣中含的水蒸氣在反應器處易在催化劑得表面冷凝結露，這將會嚴重影響催化劑的活性和壽命。此時期的脫硝催化劑可以使用空氣加熱系統為其進行預熱保護，使脫硝反應器維持較低的濕度水平，延長催化劑的使用壽命。

（2）在催化劑的儲運過程中，同樣也需要采取必要的措施保證催化劑的干燥，避免其機械性能下降。

4　結語

催化劑的性能直接影響著SCR煙氣脫硝系統的運行效果，加強催化劑的維護、保持催化劑的長期高活性是SCR脫硝運行工作中的關鍵問題。積灰堵塞、磨損和中毒等情況都能促使催化劑失活，探討催化劑失活原因，可以有針對性地對SCR脫硝系統進行相應的優化設計，總結制定合適的催化劑失活預防措施，這對提高催化劑使用壽命、降低生產運行的維護費用，取得最大的社會和經濟效益具有積極的意義。

[1]GB13223-2011.火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]陳蓮芳，周慎杰，王偉.選擇性催化還原煙氣脫硝反應器流場的模擬優化[J].動力工程學報，2010，（3）：224～229.

[3]沈濱.SCR煙氣脫硝技術[A].2007全國電力行業脫硫脫硝技術協作網年會暨技術研討會論文集[C].武漢，全國電力行業脫硫脫硝技術協作網，2007.10：46～52.

Study on Reaction Activity of SCR Denitrification Catalyst

CHUN Guo-cheng

（Datang Shanxi Fugu Coal and Electricity Co.，Ltd，Yulin 719400，China）

With the continuous improvement of environmental protection requirements and the requirements of nitrogen oxide emissions，the SCR denitrification technology has been widely used in our country.The performance of SCR denitrification catalyst is directly related to the operating effect of denitrification system.Through the analysis of the causes of catalyst deactivation due to fouling，wear and poisoning，the optimization measures are put forward in the design and operation.

SCR denitrification；catalyst；activity；measures

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.05.007

X701

B

2095-3429（2015）05-0029-04

春國成（1973-），男，河南漯河人，碩士，工程師，主要從事火力發電技術管理工作。

2015-09-09

2015-10-19