SCR脫硝催化劑失活及其原因探討

摘要： SCR脫硝工藝是火電廠常用的煙氣處理工藝，但是SCR脫硝催化劑運行過程中會出現催化劑活性下降，影響到脫硝效率。因此，分析SCR脫硝催化劑失活的原因，對提高火電廠脫硝效率具有重要意義。

關鍵詞：SCR脫硝；催化劑失活；火電廠；節能減排

中圖分類號：X701 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）07-0221-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.135

Discussion on deactivation of SCR DeNOx catalyst and its cause

Wang Xiaojun

（Zhejiang Dechuang Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310053，China）

Abstract： The SCR denitration process is a commonly used flue gas treatment process in thermal power plants. However， the catalytic activity of the SCR denitration catalyst will decrease during the operation， which affects the efficiency of denitration. Therefore， analyzing the deactivation of SCR denitrification catalysts is of great significance for improving the efficiency of denitrification in thermal power plants.

Key words： SCR denitrification； Catalyst deactivation； Thermal power plant； Energy saving and emission reduction

火電廠發電過程中，需要燃燒大量的煤炭，煤炭燃燒過程中會釋放大量的氮氧化物、硫化物等有害物質，對大氣環境造成一定的危害。雖然我國大部分的火電廠鍋爐配置了低氮燃燒技術，對煙氣中的氮氧化物進行處理，但是目前我國的脫硝技術有限，無法達到國家環保部門關于大氣排放標準。為了積極響應國家節能減排的號召，大多數燃煤電廠開始使用SCR煙氣脫硝機組設備。SCR脫硝工藝的原理是向鍋爐排放煙氣中噴淋NH3等還原劑，煙氣中的氮氧化物和還原劑發生化學反應，生成N2和H2O。然而 SCR 脫硝機組運行一段時間以后，催化劑活性下降，脫硝效率降低。因此，分析SCR脫硝機組催化劑失活的原因，并采取有效的措施，對提高燃煤電廠脫硝機組的脫硝效率具有重要意義。

1 SCR 催化劑構成

SCR 脫硝還原劑主要有液氨、尿素、氨水等。如果使用尿素作為催化劑，則還需要解熱設備對尿素加熱變成氨，所以 SCR 脫硝還原劑一般使用氨。火電廠SCR 煙氣脫硝工藝中一般使用釩基作為催化劑，釩基的活性成分為V2O5，其反應過程如下：煙氣中的 NH3 被催化劑中的 V-OH，W-OH 吸附，然后被 V=O基團活化，V=0 基團被還原為 V=OH，并與煙氣中的 NH3發生反應生成N2和H2O。由于火電廠的鍋爐中一氧化氮幾乎占整個氮氧化物總量的 95%，所以還原劑主要和煙氣中的一氧化氮氣體發生化學反應，其反應方式如下：

4NO+NH3+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

從上述反應公式可以看出，脫硝催化劑必須具有酸性位和氧化還原反應中心，酸性位置有利于 NH3 還原劑的吸收活化，氧化還原中心則可以讓氧化劑和還原劑發生化學反應。氧化還原反應中心一般由可變價過渡金屬離子構成，比如 Cu3+、Fe2+、Mn2+、Ce3+等金屬離子。通過沉淀法得到 CeO2-WO3復合氧化劑催化劑，然后使用紅外線光譜進行識別，發現催化劑的活性位是 CeO2。將 WO3 添加在活化劑中，可以提高催化劑表面的酸位數量、強度和氧化NO的性能。實驗表明，200～450℃條件下，氮氧化物的轉化率幾乎達到了 100%。

2 SCR 脫硝催化劑實驗

2.1 實驗準備

實驗使用 SCR 脫硝催化劑來自某火電廠，該火電廠的 SCR 脫硝催化劑為蜂窩型塊狀催化劑，主要成分是 V2O5、TO2，此次實驗一共選兩種催化劑樣品，一塊是已經運行14400h的催化劑，催化劑樣品是樣品為18×18孔，節距是804mm，厚壁為1.1mm；另外一塊是同一個生產廠家沒有使用的催化劑，樣品為18×18孔的催化劑，節距為808mm，厚壁為1mm。此次實驗樣品截取了運行后催化劑和沒有使用催化劑前端的2～5cm處。SCR脫硝催化模擬實驗裝置包括氣體混合加熱器、模擬配氣瓶組、模擬反應器、煙氣分析系統。

圖1 為實驗模擬煙氣裝置流程圖

圖中模擬反應器是圓柱形的不銹鋼管式電加熱爐，尺寸大小為50cm×50cm×50cm，模擬反應器中的煙氣中的NO、O2、SO2則用煙氣分析儀在線檢測。在模擬煙氣環境下測量脫硝效率，其中氮氧化物為 500mg/m?，SO2為 1500mg/m?，O2為 4%，氨水和氮氧化物為 1，煙氣中空氣速度為 5000h-1，模擬實驗溫度為 380℃。

2.2 運行結果分析

2.2.1 SCR 脫硝表觀性能分析

通過SCR脫硝模擬實驗裝置對已經運行一段時間的催化劑和完全沒有使用的催化劑進行檢測，兩種催化劑的脫硝效率還是催化劑活性都有很大的差異，其中已經運行一段時間的催化劑活性性能明顯下降，脫硝效率降低到32.7%，催化劑活性降低到0.57，遠遠低于系統設計脫硝效率的80%和0.69的催化活性。

2.2.2 SCR 脫硝微觀性能分析

V=0 基團的紅外線特征峰波數值為 1020cm-1，從未使用的催化劑 V2O5峰寬1000～1336cm-1，峰寬相對比較理想，特征峰比較明顯，但是運行以后的催化劑V2O5的峰寬在 970～1153cm-1范圍，峰寬值變小，特征峰值也減弱。由此可以得出，運行中部分催化劑V2O5晶相無法轉化為活性V=0或者存在一定活性流失。

2.2.3 孔隙結構分析

通過孔隙結構分析法可以看出，樣品中含有大量的大孔結構。運行一段時間的催化劑滯后環開始的時候壓力相對比較小，說明催化劑中含有孔徑比較小的中孔結構，且運行一段時間催化劑的吸附峰值也小于沒有使用的催化劑，說明運行后的催化劑大孔徑流失的比較嚴重。

2.3 催化劑表面沉積物

煙氣中催化劑和氮氧化物發生化學反應，生成了氮氣和水，這些水容性離子會堆積在催化劑的表面，影響到催化劑的催化效果。比如水中的 Na+、K+、Fe+等金屬離子降低了SCR脫硝催化劑中的活性位B酸位數量，從而影響到催化劑的脫硝效率。同時，這些Na+、Cu+、Fe+等金屬離子和水中的陰離子發生化學反應生成金屬氧化物硫酸鈉、高錳酸鉀等物質，這些沉淀物質會堵塞催化劑孔道，導致催化劑的大孔結構消失。

3 結論

從上述實驗可以看出，運行一段時間的催化劑脫硝性能下降，催化劑活性失效的原因是運行后催化劑中 Na+、K+、Fe+和水中的陰離子發生化學反應，生成金屬離子，這些金屬氧化物通常會造成催化劑表面堵塞，并對催化劑酸性中心的活性產生一定的毒害。同時，催化劑持續高溫運行以后，催化劑相態發生變化，表面面積減少，使得催化劑無法再生，影響到催化劑的活性。

參考文獻

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收稿日期：2018-05-02

作者簡介：王曉珺，工作于浙江德創環保科技股份有限公司。