廢工業(yè)煙氣催化劑回收利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

龍凈科杰環(huán)保技術(shù)（上海）有限公司 孫璐璐，任英杰

一、工業(yè)煙氣的嚴(yán)重危害和廢脫硝催化劑回收利用需求

工業(yè)煙氣中以氮氧化物為主要污染源的廢氣大量排放是酸雨的主要形成原因，也會對大氣臭氧層造成嚴(yán)重的破壞。隨著國家相關(guān)環(huán)境保護政策趨于嚴(yán)格，我國民眾對工業(yè)煙氣污染物排放的有效控制提出了越來越高的要求。以燃煤電廠為例，我國相關(guān)環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)對燃煤電廠煙氣排放提出了明確的控制指標(biāo)，目的是降低霧霾等惡劣天氣對人民生命健康安全和生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重影響。

在實際的工業(yè)煙氣脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原脫硝技術(shù)得到了最為廣泛的應(yīng)用，以達(dá)到脫除煙氣中氮氧化物的目的，這種脫除氮氧化物的催化劑也叫脫硝催化劑。催化劑中的還原性物質(zhì)可與煙氣中的氮氧化物發(fā)生快速的化學(xué)反應(yīng)，生成對環(huán)境無污染的氮氣和水。從實際的工程實踐可以得出，選擇性催化還原技術(shù)具有脫硝效率高、選擇性好等突出優(yōu)勢。通常脫硝催化劑一般設(shè)計運行壽命為3年，為了更好地實現(xiàn)催化劑的深度梯次利用，相關(guān)施工人員使用了“2+1”的催化劑層次搭建結(jié)構(gòu)，每年對1層催化劑進(jìn)行換新。雖然對工業(yè)煙氣有著較好的催化效果，但新催化劑的總體成本較高，幾乎占據(jù)煙氣處理設(shè)備總造價的3成。所以采用合理的方式對造價高昂、吸附了大量有毒物質(zhì)的廢催化劑進(jìn)行回收處理及再利用，不但可以有效降低工業(yè)煙氣處理系統(tǒng)的總體運行成本，還可以進(jìn)一步實現(xiàn)了對有害物質(zhì)的可靠處理。

二、脫硝催化劑失活的原因分析

催化劑是通過加快化學(xué)反應(yīng)速率的方式，實現(xiàn)短時間內(nèi)對廢氣中相關(guān)物質(zhì)的化學(xué)無害化處理。為了顯著提升催化劑與工業(yè)煙氣的接觸面積提升催化效率，通常催化劑結(jié)構(gòu)需要依照實際工程需要進(jìn)行特殊的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。由于催化劑結(jié)構(gòu)和催化劑化學(xué)物質(zhì)對催化效果有著明顯的影響，因此對于催化劑的失活原因分析也主要通過這兩個角度開展。

（一）物理失活原因分析

催化劑結(jié)構(gòu)變形。由于催化劑結(jié)構(gòu)強度不高，在運輸、安裝和長時間使用條件下可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)塌陷、缺失等結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象。積灰堵塞。在煤炭燃燒的過程中，煙氣中夾雜的雜質(zhì)顆粒會逐漸沉積在催化劑結(jié)構(gòu)表面，導(dǎo)致催化劑孔洞結(jié)構(gòu)堵塞等現(xiàn)象。以上兩種原因都會造成煙氣與催化劑的有效接觸面積顯著降低，影響有害氣體的處理效果。催化劑燒結(jié)。在實際的工程中，如果燃燒過程中難以做到對溫度的可靠控制，鍋爐燃燒中局部廢氣溫度較高將會導(dǎo)致催化劑結(jié)構(gòu)中的部分成分燒結(jié)，將催化劑表面的相關(guān)化學(xué)物質(zhì)包裹在內(nèi)，甚至?xí)?dǎo)致參與催化過程的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)性質(zhì)的變化，從而影響催化劑的催化效果。

（二）化學(xué)失活原因分析

催化活性物質(zhì)流失。一方面，在高溫環(huán)境中催化劑中的活性物質(zhì)與煙氣中的污染物反應(yīng)，導(dǎo)致活性物質(zhì)減少，進(jìn)而導(dǎo)致整個催化劑失活；另一方面，工業(yè)煙氣中的大粒徑顆粒物與催化劑發(fā)生沖擊的過程中，對催化物結(jié)構(gòu)的摩擦效果較為嚴(yán)重，也會導(dǎo)致催化活性物質(zhì)的流失。沉積物質(zhì)覆蓋。高溫工業(yè)煙氣中的硫酸鹽、金屬氧化物等物質(zhì)堆積在催化劑表面，阻擋氮氫化物、氮氧化物的擴散，降低催化劑與工業(yè)煙氣的充分接觸，影響催化效果，導(dǎo)致催化劑失活。化學(xué)毒素。由于工業(yè)廢氣中含有的成分較為復(fù)雜，以含鈉氧化物、鉀氧化物、鈣氧化物等為代表的堿金屬或堿土金屬以及含砷氧化物等會與催化劑中活性酸物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，破壞催化劑中起主要凈化吸附作用的活性中心，降低催化劑的實際應(yīng)用效果，嚴(yán)重者導(dǎo)致催化劑迅速失活。

三、廢脫硝催化劑的再利用

（一）物理屬性的恢復(fù)

對于催化劑而言，表面沉積的灰塵和金屬鹽等成分是影響催化劑催化效果的重要影響因子。通常催化劑活性降低到一定程度就無法滿足工業(yè)煙氣脫硝處理的要求，這種狀態(tài)的催化劑也是我們所說的廢脫硝催化劑。相關(guān)從業(yè)人員可通過用水等介質(zhì)對廢催化劑進(jìn)行沖洗，除去催化劑表面的非頑固型沉積物，恢復(fù)催化劑與工業(yè)煙氣的有效接觸面積。水洗再生法的原理是先將空氣壓縮，吹除舊催化劑表面的灰塵，然后再使用水進(jìn)行整體沖洗作業(yè)。某些廢催化劑清洗企業(yè)也采用超聲波水洗的方式對沉積在廢催化劑結(jié)構(gòu)表面的金屬硫酸鹽進(jìn)行處理，實現(xiàn)更為深層的清洗效果。雖然這種方法的應(yīng)用條件較為簡單，成本低廉，但在清洗的過程中難免也會造成催化劑中活性成分的流失，從而影響催化劑的實際效果。

（二）化學(xué)屬性的恢復(fù)

為了有效去除廢脫硝催化劑表面沉積的頑固性金屬鹽，相關(guān)人員提出酸性溶液浸泡法對廢催化劑進(jìn)行清洗。國內(nèi)外研究人員的實驗結(jié)果顯示，硫酸對部分催化劑的堿金屬去除有著極好的應(yīng)用效果，不但顯著恢復(fù)催化劑與工業(yè)廢氣的有效接觸面積，而且可以實現(xiàn)催化劑中酸活性的重新激活，催化劑的微觀比表面積增大使得催化劑恢復(fù)較強的使用效果?；诖朔椒?，相關(guān)人員又提出針對廢催化劑進(jìn)行堿洗的再利用方法，并將酸洗、堿洗兩種方法進(jìn)行綜合運用。酸洗堿洗兩種方法雖然有著較好的應(yīng)用效果，但酸堿溶液都會對催化劑結(jié)構(gòu)強度造成削弱，增大催化劑物理結(jié)構(gòu)遭受損害的風(fēng)險。

由于催化劑的活化物質(zhì)損壞或失效是催化劑催化效果下降的重要因素之一，也可以通過補充活性物質(zhì)的方法恢復(fù)催化劑的脫硝性能。國內(nèi)外學(xué)者將失活的催化劑浸泡在活性鹽溶液中，一段時間后重新檢測發(fā)現(xiàn)，催化劑的性能實現(xiàn)了較好的恢復(fù)。但單純使用這種方法效果并不夠突出，需要綜合物理或化學(xué)方法進(jìn)行深層次處理。

四、廢脫硝催化劑的回收

對于物理結(jié)構(gòu)受到輕微破壞、催化活性可以恢復(fù)的催化劑而言，通過物理化學(xué)方法使得催化劑性能得到較好的修復(fù)可以再次利用。然而對于存在嚴(yán)重結(jié)構(gòu)破壞，相關(guān)屬性再次激活難度較大的催化劑，必須要在安全性得以充分保障的前提下，開展回收處置。

（一）直接回收

直接回收的方法是不對廢脫硝催化劑做深入處理，而是直接回收利用的回收方法。在歐美國家，工程人員曾通過將研磨的催化劑與煤炭進(jìn)行充分摻和后燃燒利用的方法進(jìn)行直接回收。然而由于廢脫硝催化劑吸納了較多的有害物質(zhì)，這種直接燃燒的方法間接增大了有害物質(zhì)的釋放量，會造成更為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，所以并不可取。

我國也在廢脫硝催化劑的直接回收上做出了嘗試。工程人員通過高溫熔溶技術(shù)將催化劑進(jìn)行處理，把爐渣運用至新型路基或建筑材料的制作中，實現(xiàn)污染程度更小的廢脫硝催化劑回收作業(yè)。然而直接回收的方法缺失了對有害物質(zhì)的清除，仍無法避免對周邊水體和居民人身健康造成影響。

（二）分離回收

由于催化劑中存在較多的金屬資源，通過一定的方法將催化劑中相關(guān)元素進(jìn)行回收處理，不但可以降低廢舊催化劑對環(huán)境的影響，而且可以實現(xiàn)經(jīng)濟屬性的提升。當(dāng)前，廢舊催化劑的分離回收已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的重點。

除了對廢舊催化劑中的V、W和Ti等元素進(jìn)行回收之外，將廢舊催化劑直接用于新催化劑的制作也有著極好的效果。首先，應(yīng)通過物理、化學(xué)手段有效去除廢脫硝催化劑表面的有害成分，并保持二氧化鈦晶體為脫鈦礦型，經(jīng)過一定的處理之后對活性成分進(jìn)行補充，從而生產(chǎn)出新的脫硝催化劑。

五、結(jié)論

在全民環(huán)保意識大幅提高的背景下，如何有效處置廢脫硝催化劑，實現(xiàn)更好的價值回收已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的重點問題。本文首先分析了脫硝催化劑催化活性失效的原因，隨后有針對性地總結(jié)并提出了廢脫硝催化劑再利用和回收的方法，以供相關(guān)從業(yè)人員參考。目前，只有結(jié)構(gòu)保持完好的廢脫硝催化劑具有再利用價值，且再利用次數(shù)一般不超過3-4次，最后仍需廢棄處理。從固廢資源化的角度，如何無害化處置，是根本問題，也是未來的發(fā)展趨勢。