燃煤電廠SCR脫硝催化劑的失活分析及再生探討

大氣網(wǎng)訊:【摘要】當(dāng)前控制氮氧化物最有效的方式，就是選擇性催化還原法脫硝（SCR），而催化劑則是SCR系統(tǒng)的核心所在。故此，本文基于筆者實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，先對(duì)SCR脫硝的基本原理做了簡(jiǎn)要概述，然后分類(lèi)各種引起SCR催化劑失活的因素，最后探討了適合不同類(lèi)型的催化劑再生方法，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】SCR脫硝；催化劑；失活；再生

前言

當(dāng)前大氣中的主要污染物，即為氮氧化物與硫氧化物，而目前硫氧化物污染所取得的控制效果已較佳，因此，我國(guó)環(huán)境污染控制在今后一段時(shí)間內(nèi)的主要方向就是氮氧化物污染。人為產(chǎn)生氮氧化物污染的一個(gè)主要來(lái)源，就是燃煤電廠，因而，對(duì)燃煤電廠氮氧化物的排放進(jìn)行控制，關(guān)系著整體的氮氧化物污染治理成效。如今在控制燃煤電廠氮氧化物排放，得到最多認(rèn)可的就是采用SCR法。這一方法具有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如運(yùn)行穩(wěn)定、選擇性好、效率高等。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中，此方法已然獲得了廣泛運(yùn)用，如日本、美國(guó)等。但反觀我國(guó)，SCR脫硝技術(shù)尚處在起步階段，當(dāng)前主要是對(duì)國(guó)外的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行引進(jìn)。催化劑作為SCR系統(tǒng)的核心，在初期投資中占比很多，一般為30%~50%。我國(guó)的SCR使用的催化劑大部分依靠進(jìn)口。同時(shí)，由于較易中毒、堵塞，在實(shí)際使用過(guò)程中催化劑難免會(huì)失去活性。催化劑失去活性后，為了節(jié)約成本，就會(huì)進(jìn)行再生以能夠再次使用。所以，對(duì)SCR催化劑的失活與再生進(jìn)行研究，對(duì)于催化劑使用壽命的延長(zhǎng)，SCR系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的降低都有著較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，通過(guò)在中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)鍵詞檢索，能夠發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國(guó)關(guān)于催化劑失活和再生的相關(guān)研究仍較少。故此，加大這一方面的探討，有助于我國(guó)SCR脫硝技術(shù)的廣泛運(yùn)用。

1SCR脫硝的基本原理概述

SCR脫硝是Nox控制技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的一種方法?；旧舷袢毡尽⒚绹?guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家與地區(qū)的電廠，都是使用這一技術(shù)。SCR脫硝相較于其他脫硝技術(shù)，最為明顯的優(yōu)勢(shì)就是裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、脫硝效率高，維護(hù)較為方便，且不會(huì)有副產(chǎn)物，亦不會(huì)出現(xiàn)二次污染等。SCR脫硝的反應(yīng)機(jī)理主要是在催化劑與一定穩(wěn)定的作用下，NH3選擇性地把煙氣中的NOx還原為H2O與N2。運(yùn)用催化劑的目的，是將降低反應(yīng)溫度到150℃~450℃之間，以下為反應(yīng)方程式：

2SCR脫硝催化劑失活分析

國(guó)際上許多學(xué)者、專(zhuān)家，都進(jìn)行了SCR脫硝催化劑失活的分析、研究。參考當(dāng)前相關(guān)的文獻(xiàn)資源，并結(jié)合筆者工作實(shí)踐，認(rèn)為致使SCR催化劑失活的主要原因有，中毒、磨損、堵塞等。

2.1磨損

SCR由于是裝置于電廠的除塵裝置前面，這就使得煙氣或攜帶有一些飛灰顆粒。經(jīng)過(guò)高度碰撞之后，這些顆粒會(huì)磨損催化劑。而具體的磨損程度，則受到催化劑的煙氣流速、顆粒粒徑分布、顆粒濃度、機(jī)械強(qiáng)度、撞擊角度等影響。為了減少此種磨損現(xiàn)象，一般會(huì)對(duì)催化劑口邊緣進(jìn)行硬化處理，或是采用有著較高耐磨程度的材料來(lái)制作催化劑。

2.2堵塞

我們知道，催化劑中含有V2O5，在V2O5作用下煙氣中含有的SO2可以被氧化成SO3，SO3和H2O及NH3反應(yīng)，會(huì)形成硫酸銨與硫酸氫銨，而硫酸氫銨的粘附性很強(qiáng)，容易將催化劑孔堵塞。同時(shí)，催化劑表面的微孔也可能進(jìn)入煙氣中較小粒徑的飛灰，進(jìn)而堵塞催化劑孔。而催化劑堵塞的又一種形式，則是通道堵塞。在流經(jīng)SCR反應(yīng)器的時(shí)候，燃煤煙氣所攜帶的飛灰顆粒會(huì)在催化劑表面積極，若是不及時(shí)清理，就會(huì)在表面積聚越來(lái)越多的飛灰，從而堵塞通道。煙氣中除了較小粒徑的飛灰顆粒，還會(huì)夾雜著某些較大尺寸的灰粒，也就是“爆米花灰”。由于這些灰粒的粒徑比催化劑的通道尺寸大，就會(huì)出現(xiàn)堵塞催化劑通道的情況。

2.3中毒

2.3.1堿金屬中毒

堿金屬在煤中主要以兩種形式存在，一種為非活性堿，其存在于硅酸鹽礦物中如長(zhǎng)石、云母等；另一種為活性堿，比如有機(jī)酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽等。在堿金屬接觸到催化劑表面的時(shí)候，催化劑活性位置的堿金屬會(huì)喝其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，致使催化劑出現(xiàn)鈍化。

2.3.2砷中毒

在具體運(yùn)用催化劑的時(shí)候，致使催化劑失活的一項(xiàng)重要因素就是砷中毒，尤其是在低飛灰情況下，更是降低催化劑活性的關(guān)鍵因素。引起砷中毒的，是煙氣中所含有的As2O3。As2O3分散于催化劑匯總，并在非活性與活性區(qū)域固化，進(jìn)而限制到催化劑內(nèi)反應(yīng)氣體的擴(kuò)散，破壞到毛細(xì)管。此種催化劑中毒情況無(wú)法逆轉(zhuǎn)，會(huì)嚴(yán)重影響到SCR運(yùn)行。

3SCR催化劑的再生探討

上述提到，SCR脫硝系統(tǒng)的核心即為催化劑，其性能會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)的脫硝效果形成直接影響。催化劑的活性，伴隨SCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，會(huì)漸漸降低，通常運(yùn)行時(shí)間達(dá)到約三年，就應(yīng)做整體更換。但是，容量如此龐大的SCR脫硝機(jī)組，在那時(shí)必然會(huì)有大量廢棄SCR脫硝催化劑產(chǎn)生。催化劑更換的成本在燃煤電廠系統(tǒng)投入中在，所占比例超過(guò)30%，若是能夠開(kāi)發(fā)出更為優(yōu)良的再生工藝，則能使生產(chǎn)成本得以進(jìn)一步降低。一般失活催化劑含有的基本活性體積為60%~70%，導(dǎo)致失活部分，也是由于活性位被覆蓋、孔道堵塞等因素。原則上，可借助再生使之活性得以恢復(fù)。當(dāng)前，失活催化劑再生的方法有堿洗再生、酸洗再生、水洗再審、SO2酸化熱再生、熱還低碳技術(shù)原再生等。

所謂水洗再生，就是先采用高壓空氣清洗催化劑，在配合使用去離子水洗去沉積在催化劑表面銨鹽和表面可溶性中毒物質(zhì)，最后空氣干燥。這一方法，雖然能夠?qū)⒋呋瘎┍砻娴囊恍╊w粒物沖洗掉，但無(wú)法使由堿金屬中毒而失活的釩基催化劑活性恢復(fù)。

失活催化劑的酸液再生則是借助酸液對(duì)催化劑表面進(jìn)行清除，以使失活催化劑表面的酸性位點(diǎn)恢復(fù)。有學(xué)者對(duì)釩鈦系催化劑的堿金屬中毒進(jìn)行再生實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)0.5mol/L硫酸酸洗再生后，能夠恢復(fù)活性于90%以上，近乎完全消除了K2O，且將SO42-引入催化劑表面，但也會(huì)部分洗掉催化劑上的釩。

失活催化劑采用堿液處理，則是通過(guò)堿液對(duì)催化劑表面的某些可溶性有毒物與Al2(SO4)3進(jìn)行清除。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，采用NaOH溶液可以使失活的SCR催化劑活性得以部分恢復(fù)，有助于催化劑比表面積的提升。堿液再生過(guò)程方法類(lèi)似于酸液清晰。

熱還原再生失活催化劑，則是在一些保護(hù)氣體氛圍之下，為了分解催化劑表面的硫酸銨鹽，先升溫然后進(jìn)行降溫處理，將活性位點(diǎn)暴露出來(lái)，以再生催化劑。在高溫下通過(guò)還原氣體，一般會(huì)將某些還原氣體（H2或是NH3）摻入到惰性保護(hù)氣體中，以使催化劑表面的高價(jià)硫還原，并且實(shí)現(xiàn)催化劑的脫硫再生。SO2酸化熱再生即在氣態(tài)條件下酸化再生催化劑，通常是持續(xù)通過(guò)SO2的情況下，在高溫條件下處理催化劑一段時(shí)間，酸化催化劑表面，以使催化劑的酸強(qiáng)度增強(qiáng)，并促使催化劑表面的酸性位點(diǎn)提高，實(shí)現(xiàn)催化劑活性的增加。

4結(jié)語(yǔ)

總之，作為選擇性催化還原法的核心所在，催化劑的成本約占到脫硝系統(tǒng)初期建設(shè)成本的30%~40%。并且，一般在運(yùn)行了3-5年之后就應(yīng)進(jìn)行更換，這就會(huì)使SCR系統(tǒng)的運(yùn)行成本高居不下。《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》（環(huán)發(fā)[2010]10號(hào)）之中明確提到，“要首先考慮對(duì)失活催化劑的再生處理，無(wú)法再生的則考慮無(wú)害化處理?！睂?duì)于可逆中毒的催化劑，如果采用適當(dāng)?shù)脑偕に?，則可實(shí)現(xiàn)更換費(fèi)用的極大節(jié)省，且可使脫硝效率恢復(fù)到初始效率的90%~100%。此外，催化劑就任其廢棄的話，將會(huì)給環(huán)境造成嚴(yán)重污染，所以，對(duì)催化劑失活開(kāi)發(fā)、采用適當(dāng)?shù)幕厥辗椒霸偕椒?，顯得尤為關(guān)鍵。