淺析燃煤電廠SCR催化劑砷中毒對(duì)脫硝系統(tǒng)的影響

于洪海 曲立濤 林海峰

（1華電電力科學(xué)研究院東北分院遼寧沈陽(yáng)1101792沈陽(yáng)綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司遼寧沈陽(yáng)110000）

淺析燃煤電廠SCR催化劑砷中毒對(duì)脫硝系統(tǒng)的影響

于洪海1曲立濤1林海峰2

（1華電電力科學(xué)研究院東北分院遼寧沈陽(yáng)1101792沈陽(yáng)綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司遼寧沈陽(yáng)110000）

SCR催化劑砷中毒是燃煤電廠脫硝系統(tǒng)運(yùn)行中常見(jiàn)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)煙氣中As來(lái)源和催化劑砷中毒機(jī)理的介紹，結(jié)合某燃煤電廠300MW機(jī)組實(shí)例進(jìn)行分析，總結(jié)出SCR催化劑砷中毒對(duì)電廠脫硝系統(tǒng)和下游設(shè)備造成的影響，并給出了降低SCR催化劑砷中毒影響的建議。

SCR催化劑；砷中毒；影響

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各地區(qū)的大氣污染日趨嚴(yán)重，并且有愈演愈烈之勢(shì)，國(guó)家和地方為了治理大氣污染也相繼出臺(tái)了較以前更嚴(yán)格的法律、標(biāo)準(zhǔn)和政策，而火電行業(yè)尤其是燃煤電廠產(chǎn)生的煙塵、SO2和NOX等大氣污染物是目前我國(guó)大氣污染防治工作的主要污染物質(zhì)，而燃煤電廠又是NOX排放的主要單位[1]?！痘痣姀S大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）中指出，從2015年1月1日起，火電廠燃煤鍋爐NOX濃度排放限值需達(dá)到100mg/m3以下（采用W形火焰爐膛的火力發(fā)電鍋爐，現(xiàn)有循環(huán)流化床火力發(fā)電鍋爐，以及2003年12月31日前建成投產(chǎn)或通過(guò)建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū)審批的火力發(fā)電鍋爐除外），各燃煤電廠為其排放的NOX滿足新的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，紛紛增設(shè)或改造脫硝設(shè)施。在此過(guò)程中，300MW以上煤粉爐的脫硝工藝基本上選擇了SCR（選擇性催化還原）脫硝，而SCR脫硝的關(guān)鍵又在于催化劑，催化劑的組成、結(jié)構(gòu)和性能等對(duì)火電廠煙氣脫硝效果具有直接影響[2]。在燃煤電廠的實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，砷中毒是引起催化劑活性下降的主要原因，而催化劑的活性下降將會(huì)對(duì)脫硝系統(tǒng)及下游設(shè)備的運(yùn)行造成不良影響，甚至?xí)?dǎo)致NOX超標(biāo)排放。

1 煙氣中As的來(lái)源

燃煤電廠脫硝系統(tǒng)的煙氣主要來(lái)自于煤與空氣的燃燒，空氣的成分中沒(méi)有As的存在，煤炭是一種復(fù)雜的天然礦物，成分復(fù)雜，煤炭中的As多以硫化砷或硫砷鐵礦（FeS2·FeAs2）等形式存在，小部分為有機(jī)物的形態(tài)[3]。目前國(guó)內(nèi)常用的催化劑多為釩鈦基催化劑，表1為某催化劑廠家對(duì)未使用的催化劑樣品化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果。

表1 未使用的催化劑樣品化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)表1中催化劑的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果可知，催化劑自身不含有As，因此，脫硝系統(tǒng)煙氣中的As主要來(lái)自于煤炭。

2 SCR催化劑砷中毒機(jī)理

SCR催化劑砷中毒是化學(xué)中毒其中之一，主要是由于煤炭在高溫燃燒過(guò)程中，發(fā)生強(qiáng)烈的氧化作用，使煤炭中的As釋放出來(lái)，形成氣態(tài)砷的化合物As2O3，As2O3擴(kuò)散進(jìn)入到催化劑的表面和微孔內(nèi)，并同時(shí)吸附在催化劑的活性位和非活性位上，使煙氣在催化劑內(nèi)的擴(kuò)散受到限制，阻礙催化反應(yīng)進(jìn)行，造成催化劑失活。砷中毒的反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 催化劑砷中毒反應(yīng)機(jī)理

3 對(duì)脫硝系統(tǒng)運(yùn)行及下游設(shè)備的影響

以東北地區(qū)某燃煤電廠300MW機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)催化劑砷中毒為例，列舉出由于催化劑砷中毒而導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)及下游設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中的影響。

3.1 脫硝效率下降

在該機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，委托了兩家不同的相關(guān)公司（以下稱A、B公司）對(duì)SCR催化劑進(jìn)行了取樣和檢測(cè)，其中根據(jù)A公司的檢測(cè)結(jié)果顯示，該機(jī)組脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行4000h后，催化劑比表面積沒(méi)有發(fā)生變化，而催化劑活性相當(dāng)于降低了29%，模擬條件下脫硝效率由70%下降到50%，具體情況見(jiàn)圖2。

圖2 脫硝效率與運(yùn)行時(shí)間變化情況

B公司同樣對(duì)該機(jī)組催化劑進(jìn)行了取樣檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可知，由于在催化劑活中檢測(cè)出As2O3過(guò)量，導(dǎo)致催化劑活性降低，在模擬條件下脫硝效率由67.58%降到55.01%，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 催化劑活性檢測(cè)結(jié)果

3.2 氨逃逸超標(biāo)

由于催化劑活性降低，為了確保出口NOX達(dá)標(biāo)，維持既定的脫硝效率，勢(shì)必要加大脫硝系統(tǒng)的噴氨量，噴氨量的加大會(huì)使NH3/NOX摩爾比增加，進(jìn)而導(dǎo)致氨逃逸濃度升高。通過(guò)查閱DCS歷史曲線，對(duì)比2015年2～4月和6～8月期間的相關(guān)歷史曲線發(fā)現(xiàn)，在一定的脫硝效率下，6～8月期間的氨逃逸濃度超過(guò)3ppm的情況要多于2～4月期間，并且在6～8月期間氨逃逸濃度達(dá)到了10ppm以上。

3.3 空預(yù)器腐蝕

鍋爐燃燒時(shí)產(chǎn)生的SO2，SO2在積灰中的活性物質(zhì)或者催化劑中的活性組分的作用下，氧化形成SO3，一部分SO3與煙氣中的水蒸氣會(huì)結(jié)合形成H2SO4蒸氣，另外一部分SO3與SCR反應(yīng)器中過(guò)量的氨反應(yīng)生成NH4HSO4酸性物質(zhì)，經(jīng)過(guò)SCR反應(yīng)器和空氣預(yù)熱器熱段后，排煙溫度降低，當(dāng)溫度降至185℃以下時(shí)，煙氣中已生成的液態(tài)NH4HSO4會(huì)在空氣預(yù)熱器低溫段傳熱元件上凝固下來(lái)，導(dǎo)致空氣預(yù)熱器煙氣入口流場(chǎng)分布發(fā)生不同程度的變化，造成空氣預(yù)熱器低溫段積鹽、結(jié)垢與腐蝕。該機(jī)組在設(shè)備檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)空氣預(yù)熱器低溫段不同部位出現(xiàn)了較大面積的腐蝕痕跡，特別是在煙氣流速較低的死角處，部分區(qū)域傳熱元件發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞，具體情況見(jiàn)圖3。