氧化鋁懸浮爐煙氣脫硝SCR催化劑失活因素分析

劉海濱 沈陽鑫博工業技術股份有限公司

一、概述

根據煙氣中含有的雜質能否與催化劑的活性成分發生反應，是否進而消耗反應活性成分，將催化劑失活分為物理失活與化學失活。物理失活：主要指催化劑高溫燒結、活性鍍層磨損和催化劑空隙堵塞而引起的催化劑失活[1]；化學失活：主要指堿土金屬鹽、堿金屬鹽和As的氧化物等引起的催化劑中毒[2]。在實際氧化鋁懸浮爐生產當中，催化劑的失活往往是物理與化學失活并存的。

二、催化劑的物理失活

（一）催化劑的高溫燒結

SCR脫硝催化劑為鈦基催化劑，其在煙氣環境溫度為320℃～380℃，但若焙燒爐系統出現超溫，使SCR反應器入口煙氣溫度過高，使催化劑長期暴露在450℃以上的高溫中，可能引起催化劑表面的燒結，當煙氣溫度高于650℃時，載體TiO2會發生相變，從銳鈦礦型向金紅石型轉變，此變化會造成催化劑內微晶聚集，導致催化劑顆粒增大、催化劑表面積減小，從而降低催化劑活性[3]。

氧化鋁懸浮爐煙氣脫硝裝置中為防治SCR催化劑高溫燒結，可控制進入催化劑的煙氣的溫度不高于催化劑的允許溫度；使催化劑使用壽命不受影響。

（二）催化劑的堵灰

催化劑的堵灰會降低催化劑的活性，降低氮氧化物轉化率。隨著堵灰程度的日益加重，如不及時處理會使催化劑失活，反應器內煙氣阻力大大增加，煙氣流速加快，催化劑活性成分加劇磨損，脫硝性下降，最終影響懸浮爐煙風系統的正常運行[4]。

主要的防堵灰措施主要有：

（1）催化劑選用合適的節距。

（2）反應器內選用合適的煙氣速度。

（3）當煙氣中的灰分在30g/Nm3以上時，灰顆粒在必然在催化劑表面聚集[5]。因此，在每層催化劑上都布置了聲波吹灰器，根據定期對催化劑表面進行吹掃。

（4）合理設計煙道和反應器外形尺寸，保證通過催化劑斷面的煙氣速度均勻，反應器內避免出現死角及煙氣流動低速區。

（三）催化劑的磨損

催化劑磨損主要是由煙氣中的粉塵顆粒對催化劑表面的沖擊引起的，因此煙氣流速快和顆粒物濃度高均會加速催化劑的磨損。此外，脫硝反應中設置了自動吹灰裝置也會造成催化劑的磨損。

防止催化劑磨損采取的措施有：

（1）合理設計催化劑；

（2）選用合適的煙氣速度；

（3）控制煙氣中粉塵的濃度與粒度。

催化劑成分及結構設計方面采取的措施有：

（1）頂端硬化。催化劑可增加端部表面鍍層的硬度，催化劑支撐架為金屬網，當頂部逐漸被磨損后露出內部的金屬基材，金屬基材硬度較高可阻止煙氣對下部的鍍層進一步磨損。

（2）增厚。設計中增加整體催化劑的壁厚可有效延長催化劑的機械壽命。

（3）使用均質催化劑結構。

三、催化劑的化學失活

（一）水的毒化

煙氣中的水以蒸汽的形式存在，水蒸汽在催化劑表面凝結一方面凝結水會進入催化劑毛細孔中，凝結水會隨著在催化劑溫度增加而汽化膨脹，催化劑內的細微結構被破壞導致催化劑的破裂。另一方面凝結水會加劇Na，K等堿金屬鹽溶解從而對催化劑造成毒化。此外，凝結水會加劇SO2對催化劑的毒害作用[7,8]。水的抑制作用是可逆的，這是由于水與NH3在Lewis位點的競爭性吸附。

（二）堿金屬的毒化（K，Na等）

堿金屬鹽（K，Na等）可溶性高，溶解后的堿性比NH3的大，催化劑活性成份優先與堿金屬鹽反應，造成催化劑的活性下降。不同堿對催化劑的毒害作用遵循一系列Na2CO3＜K2CO3＜Na2SO4＜K2SO4＜NaCl＜KCl。

（三）堿土金屬的毒化（Ca等）

堿土金屬（Ca等）氧化物對催化劑的毒化作用比堿金屬（K，Na等）氧化物毒化作用弱，因為Na+能同時中和催化劑上的強酸性位及弱酸性位，而Ca+對催化劑表面酸性位影響不大。堿土金屬中Ca對催化劑的毒化作用主要是煙氣中如果含有CaO，其會沉積在SCR催化劑表面與煙氣中的SO3反應生成CaSO4堵塞催化劑孔洞，從而造成催化劑物理失活。

（四）SO2的毒化

煙氣中的SO2在被催化劑上的V2O5氧化成為SO3，而后與煙氣中的NH3反應，生成（NH4）2SO4和NH4HSO4，與CaO，MgO等堿土金屬氧化物反應生成的CaSO4，MgSO4，這些生成物均會造成催化劑毛細孔的堵塞[6]。催化劑運行溫度低于噴氨點可有效的為防止（NH4）2SO4和NH4HSO4的生成[7]。

（五）As的毒化

煙氣中的氣態As吸附在催化劑活性基上，造成催化劑的毒化。對于高As煤（5～30mg/Nm3），或者采用煙氣再循環、液態排渣的低砷煤，需要通過采取措施：在催化劑中加入MoO3，與催化劑表面的V2O5復合型氧化物，降低As的毒化。

（六）XRF分析

為了分析催化劑化學失活的影響，對新舊催化劑進行XRF測試，結果見表1所示。

由表1可看出：催化劑的有效成分V2O5、TiO2、WO3含量隨著催化劑的使用而減少，堿金屬及堿土金屬Na2O、K2O、MgO含量增高，CaO與SO3含量增高是由于煙氣中的CaO與SO3反應生成CaSO4并附著在催化劑表面，堵塞催化劑孔道，影響催化劑的催化作用。As的進入與V2O5結合形成砷酸釩，導致釩失去活性，造成催化劑As中毒。

四、結論

本文從催化劑的物理失活因素及化學失活因素進行分析，得出了應對催化劑失活的主要措施。通過對新舊催化劑進行XRF測試，驗證了這些因素對催化劑催化性能的影響。

表1 新舊催化劑XRF分析結果Table 1 XRF analysis results of old and new catalysts