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(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)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(duì)提高火電廠脫硝效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝；催化劑失活；火電廠；節(jié)能減排

中圖分類(lèi)號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fā)電過(guò)程中，需要燃燒大量的煤炭，煤炭燃燒過(guò)程中會(huì)釋放大量的氮氧化物、硫化物等有害物質(zhì)，對(duì)大氣環(huán)境造成一定的危害。雖然我國(guó)大部分的火電廠鍋爐配置了低氮燃燒技術(shù)，對(duì)煙氣中的氮氧化物進(jìn)行處理，但是目前我國(guó)的脫硝技術(shù)有限，無(wú)法達(dá)到國(guó)家環(huán)保部門(mén)關(guān)于大氣排放標(biāo)準(zhǔn)。為了積極響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召，大多數(shù)燃煤電廠開(kāi)始使用SCR煙氣脫硝機(jī)組設(shè)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成N2和H2O。然而 SCR 脫硝機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間以后，催化劑活性下降，脫硝效率降低。因此，分析SCR脫硝機(jī)組催化劑失活的原因，并采取有效的措施，對(duì)提高燃煤電廠脫硝機(jī)組的脫硝效率具有重要意義。

1 SCR 催化劑構(gòu)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(shè)備對(duì)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(yīng)過(guò)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(tuán)活化，V=0 基團(tuán)被還原為 V=OH，并與煙氣中的 NH3發(fā)生反應(yīng)生成N2和H2O。由于火電廠的鍋爐中一氧化氮幾乎占整個(gè)氮氧化物總量的 95%，所以還原劑主要和煙氣中的一氧化氮?dú)怏w發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)方式如下：

4NO+NH3+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+2NO2→4N2+6H2O

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O

從上述反應(yīng)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(yīng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)。氧化還原反應(yīng)中心一般由可變價(jià)過(guò)渡金屬離子構(gòu)成，比如 Cu3+、Fe2+、Mn2+、Ce3+等金屬離子。通過(guò)沉淀法得到 CeO2-WO3復(fù)合氧化劑催化劑，然后使用紅外線光譜進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)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(shù)量、強(qiáng)度和氧化NO的性能。實(shí)驗(yàn)表明，200～450℃條件下，氮氧化物的轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)到了 100%。

2 SCR 脫硝催化劑實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)使用 SCR 脫硝催化劑來(lái)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(shí)驗(yàn)一共選兩種催化劑樣品，一塊是已經(jīng)運(yùn)行14400h的催化劑，催化劑樣品是樣品為18×18孔，節(jié)距是804mm，厚壁為1.1mm；另外一塊是同一個(gè)生產(chǎn)廠家沒(méi)有使用的催化劑，樣品為18×18孔的催化劑，節(jié)距為808mm，厚壁為1mm。此次實(shí)驗(yàn)樣品截取了運(yùn)行后催化劑和沒(méi)有使用催化劑前端的2～5cm處。SCR脫硝催化模擬實(shí)驗(yàn)裝置包括氣體混合加熱器、模擬配氣瓶組、模擬反應(yīng)器、煙氣分析系統(tǒng)。

圖1 為實(shí)驗(yàn)?zāi)M煙氣裝置流程圖

圖中模擬反應(yīng)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(yīng)器中的煙氣中的NO、O2、SO2則用煙氣分析儀在線檢測(cè)。在模擬煙氣環(huán)境下測(cè)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(shí)驗(yàn)溫度為 380℃。

2.2 運(yùn)行結(jié)果分析

2.2.1 SCR 脫硝表觀性能分析

通過(guò)SCR脫硝模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)已經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間的催化劑和完全沒(méi)有使用的催化劑進(jìn)行檢測(cè)，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(jīng)運(yùn)行一段時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tuán)的紅外線特征峰波數(shù)值為 1020cm-1，從未使用的催化劑 V2O5峰寬1000～1336cm-1，峰寬相對(duì)比較理想，特征峰比較明顯，但是運(yùn)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(yùn)行中部分催化劑V2O5晶相無(wú)法轉(zhuǎn)化為活性V=0或者存在一定活性流失。

2.2.3 孔隙結(jié)構(gòu)分析

通過(guò)孔隙結(jié)構(gòu)分析法可以看出，樣品中含有大量的大孔結(jié)構(gòu)。運(yùn)行一段時(shí)間的催化劑滯后環(huán)開(kāi)始的時(shí)候壓力相對(duì)比較小，說(shuō)明催化劑中含有孔徑比較小的中孔結(jié)構(gòu)，且運(yùn)行一段時(shí)間催化劑的吸附峰值也小于沒(méi)有使用的催化劑，說(shuō)明運(yùn)行后的催化劑大孔徑流失的比較嚴(yán)重。

2.3 催化劑表面沉積物

煙氣中催化劑和氮氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了氮?dú)夂退?，這些水容性離子會(huì)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(shù)量，從而影響到催化劑的脫硝效率。同時(shí)，這些Na+、Cu+、Fe+等金屬離子和水中的陰離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬氧化物硫酸鈉、高錳酸鉀等物質(zhì)，這些沉淀物質(zhì)會(huì)堵塞催化劑孔道，導(dǎo)致催化劑的大孔結(jié)構(gòu)消失。

3 結(jié)論

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，運(yùn)行一段時(shí)間的催化劑脫硝性能下降，催化劑活性失效的原因是運(yùn)行后催化劑中 Na+、K+、Fe+和水中的陰離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬離子，這些金屬氧化物通常會(huì)造成催化劑表面堵塞，并對(duì)催化劑酸性中心的活性產(chǎn)生一定的毒害。同時(shí)，催化劑持續(xù)高溫運(yùn)行以后，催化劑相態(tài)發(fā)生變化，表面面積減少，使得催化劑無(wú)法再生，影響到催化劑的活性。

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收稿日期：2018-05-02

作者簡(jiǎn)介：王曉珺，工作于浙江德創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?。