燃煤電站SCR催化劑失活機(jī)理及其壽命管理的研究綜述

丁戰(zhàn)

摘? 要：催化劑是燃煤電站SCR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中普遍存在催化劑失活、使用壽命較短的運(yùn)行問(wèn)題。該文從物理失活和中毒失活兩個(gè)角度介紹了SCR脫硝催化劑的失活機(jī)理，總結(jié)了催化劑失活方程，進(jìn)而提出應(yīng)根據(jù)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(guān)鍵詞：SCR催化劑? 失活機(jī)理? 失活方程? 催化劑壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：X701.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）11（c）-0083-02

我國(guó)電力行業(yè)的主要燃煤發(fā)電站為主，其燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的氮氧化物已經(jīng)成為我國(guó)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(yīng)、酸雨、光化學(xué)污染等環(huán)境問(wèn)題，危害生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)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(shù)是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的一項(xiàng)煙氣脫硝技術(shù)。

SCR脫硝系統(tǒng)中，催化劑是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，價(jià)格昂貴，初步裝備催化劑的費(fèi)用占據(jù)整個(gè)脫硝系統(tǒng)總投資的30%～50%。實(shí)際運(yùn)行中，催化劑長(zhǎng)期處在高溫高塵的環(huán)境下，易發(fā)生燒結(jié)，孔道堵塞和催化劑磨損的問(wèn)題，并且由于煙氣成分復(fù)雜，常常使得催化劑中毒，活性降低，進(jìn)而導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)脫硝效率低、NOx排放超標(biāo)。由于各種物理和化學(xué)的原因，現(xiàn)役的SCR催化劑往往無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，不僅造成極大經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，增加系統(tǒng)運(yùn)行成本，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。該文主要對(duì)SCR催化劑失活原因進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)SCR催化劑壽命管理的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)的闡述，以期使讀者對(duì)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(yè)人員提供一定的理論支持。

1? SCR催化劑失活機(jī)理

1.1 SCR催化劑的物理失活

國(guó)內(nèi)電廠脫硝裝置處于高溫高壓運(yùn)行狀態(tài)，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(zhǎng)期暴露在高溫環(huán)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(chǎn)生聚集，活性組分揮發(fā)，導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活，且催化劑燒結(jié)是不可逆失活，目前暫無(wú)方法對(duì)燒結(jié)失活后的催化劑進(jìn)行再生處理。有研究表明，當(dāng)SCR脫硝系統(tǒng)溫度高于500℃時(shí)，催化劑將出現(xiàn)嚴(yán)重失活[2]，因此，運(yùn)行工程中的SCR脫硝系統(tǒng)需要保持溫度穩(wěn)定在一合理區(qū)間，避免引起催化劑燒結(jié)失活。

現(xiàn)役的SCR脫硝系統(tǒng)由于脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理及催化劑機(jī)械強(qiáng)度不足等問(wèn)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(chǎng)不均勻性，降低催化劑活性，進(jìn)而影響脫硝效率;另一方面，持續(xù)的高速?zèng)_刷極易引起催化劑坍塌，危害機(jī)組運(yùn)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(yīng)通道及內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)，減少了催化反應(yīng)面積，加劇煙氣流通阻力，導(dǎo)致催化劑活性降低，機(jī)組壓降增加，影響機(jī)組安全運(yùn)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(huì)導(dǎo)致催化劑中毒，從而降低催化劑反應(yīng)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(diǎn)，進(jìn)一步影響反應(yīng)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(yīng)CaSO4會(huì)堵塞催化劑微孔，導(dǎo)致催化劑鈍化失活，同時(shí)，Ca也具有與堿金屬相同的毒化機(jī)理，抑制NH3的B酸位點(diǎn)。相對(duì)于堿金屬，CaO對(duì)催化劑得毒化作用相對(duì)較小。

國(guó)內(nèi)燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)通常布置于脫硫裝置前，煙氣中存在大量SO2。催化劑對(duì)部分SO2氣體有促進(jìn)氧化的作用，生成的SO3與未反應(yīng)的氨氣和煙氣中微量的水分反應(yīng)生成硫酸氨和硫酸氫氨。

硫酸氫氨具有較強(qiáng)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(huì)堵塞下游設(shè)備，造成空預(yù)器壓阻增大，機(jī)組能耗增加，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

2? SCR催化劑壽命管理

影響催化劑反應(yīng)活性的原因有很多，為了增加催化劑使用壽命，不僅要對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化，而且要制定合理的催化劑更換方案。近年來(lái)，基于SCR脫硝系統(tǒng)脫硝效率的催化劑使用壽命管理研究得到廣泛關(guān)注，從另一角度預(yù)測(cè)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(xué)壽命和機(jī)械壽命，化學(xué)壽命即滿足脫硝系統(tǒng)脫硝效率大于85%，氨逃逸濃度小于3ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)換效率小于1%時(shí)的使用壽命，通常化學(xué)壽命僅有24000h左右，而催化劑機(jī)械壽命100000h以上，因此，研究SCR催化劑化學(xué)壽命意義重大。

目前，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究和工程數(shù)據(jù)，只考慮以NO為主的選擇性催化還原反應(yīng)，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(zhuǎn)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(shí)間，h;A為催化劑失活速率。催化劑失活速率可根據(jù)實(shí)際測(cè)得的催化劑活性、催化劑初始活性和使用時(shí)間計(jì)算得出，由此可得出催化劑失活函數(shù)，最后由NO轉(zhuǎn)換率與脫硝效率之間的關(guān)系，得出當(dāng)前催化劑活性及剩余壽命，對(duì)催化劑活性及壽命進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估，及時(shí)更換催化劑。

國(guó)內(nèi)燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)通常布置3層催化劑以滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)催化劑活性無(wú)法滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換催化劑。雖然各層催化劑服役時(shí)間一致，但是第一層催化劑更接近煙道，流場(chǎng)更為復(fù)雜，易失活，所以傳統(tǒng)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(tǒng)催化劑更換方案成本較大，且不利于機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有研究顯示，通過(guò)催化劑活性方程和失活方程，合理調(diào)換催化劑可以增加催化劑整體潛能，延長(zhǎng)催化劑使用壽命，降低催化劑更滑成本，對(duì)催化劑壽命管理技術(shù)具有重大實(shí)際意義[3]。

3? 結(jié)語(yǔ)

影響催化劑活性的因素有溫度、飛灰、系統(tǒng)流場(chǎng)及煙氣成分，根據(jù)失活機(jī)理可以分為物理失活和化學(xué)失活兩大類(lèi)。該文分析總結(jié)了燃煤電站SCR催化劑失活的原因，闡述了各失活機(jī)理對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的影響，得出依據(jù)各失活機(jī)理管理催化劑較為困難，進(jìn)而介紹了目前被廣泛認(rèn)可的催化劑活性方程和催化劑失活方程。根據(jù)催化劑失活方程可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各催化劑當(dāng)前活性及剩余壽命，幫助運(yùn)行人員判斷催化劑使用狀況，為發(fā)電企業(yè)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(xiàn)

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