燃煤电厂烟气SCR脱硝催化剂性能及失活研究
李茗
摘 要：本文分析了在燃煤电厂中烟气SCR脱硝催化剂性能及失活原因。分析了SCR脱硝的主要原理、飞灰引起的堵塞、SCR催化剂中毒以及硫酸盐引起的堵塞等引起催化剂失活的原因，并以某电厂的实际案例数据分析了灰尘堵塞导致了催化剂的失活，以及催化剂中毒导致了脱硫效率的明显下降。
关键词：燃煤电厂；脱硝；SCR催化剂；失活
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.165
1 引言
众所周知，硫化物及氮化物是目前大气的主要污染物，而燃煤电厂又是这两类污染物的主要来源。随着环保技术的发展，针对硫化物污染物的控制得到了较好的发展，但是针对氮化物的污染物控制技术还在进行中。
选择性催化还原法（SCR）目前全球范围内应用效果最好的控制电厂氮化物排放的方法，此项技术在国内处于起步阶段，处于相关技术的引进吸收阶段。在此方法中，催化剂的选择非常重要，是整个系统的关键和核心技术，其投资额也占到了整个脱硝系统投资额的30%～50%，目前我国实际运行的SCR系统催化剂几乎全部依赖于进口，消耗了国家大量的外汇储备。所以除了加快进行此类催化剂的国产化研究外，积极针对其性能及失活原因进行研究也具有重要意义，其可以在一定程度上使得催化剂再生，延长催化剂使用寿命，最终大幅降低燃煤电厂脱硝系统的整体运行成本。也可以为国内加快催化剂的国产化研究，打破国外垄断奠定良好的研究基础。
2 SCR催化剂
（1）SCR催化剂简介。在我国燃煤电厂中，针对氮氧化物进行控制的技术主要分为两个方面：其中一项为低NOx浓度的锅炉燃烧技术，另一项就是针对烟气的脱硝技术。而烟气的脱硝技术又分为SCR与SNCR两种技术，其中SCR脱硝技术是目前比较成熟且已经进行规模化应用的技术。此项技术在美国、日本、欧洲等西方发达国家和地区已经广泛应用，它的主要优点在于运行稳定、脱硝效率高、成本低且便于維护等。
（2）SCR催化剂原理。燃煤电厂对烟气进行SCR脱硝的主要原理是在一定的温度及催化剂作用下，NH3可以将烟气中的NOx进行还原，生成氮气和水，在此过程中，催化剂的主要作用是使得此反应能够在较低温度下进行，其反应方程式为：
3 SCR催化剂性能及失活原因分析
在电厂的运行过程中，当采用SCR系统对烟气进行脱硝处理时，催化剂可能发生失活的现象，引起这种现象的主要原因包括飞灰引起的堵塞、SCR催化剂中毒以及硫酸盐引起的堵塞等。
（1）失活原因分析。1）飞灰引起的堵塞。飞灰引起的催化剂堵塞的基本机理是随着系统的运行，灰粒会首先聚集在反应器上游，随着聚集度不断提高，细小的灰粒就会附着在催化剂表面，进而形成搭桥，导致催化剂的堵塞。此种原因引起的催化剂失活是一种物理过程，其造成的催化剂失活也是可以处理的，例如周期性地进行吹灰、调节气流分布、合理的催化剂间距等措施都可以减少催化剂表面积灰。2）SCR催化剂中毒。SCR催化剂中毒主要分为碱金属中毒与砷金属中毒。其中碱金属中毒分为活性碱中毒与非活性碱中毒两种，而引起催化剂中毒的主要碱金属氧化物一般是碱性比较明显的氧化钾以及氧化钠等。氧化钾对催化剂的毒性非常强，随着氧化钾含量的升高，催化剂的脱硝效率急剧下降。另外氧化钙也会引起催化剂中毒，但是它的毒性较小，其与催化剂之间的作用速度比较慢，一般被认为是引起催化剂中毒的次要因素。
而当系统中飞灰浓度较低时，砷金属中毒就成为了SCR催化剂活性降低的主要原因。这是由于烟气中存在的三氧化二砷可以固化在催化剂的活性和非活性区，使得催化剂的氧化还原反应收到限制，这种限制是不可逆的，所以影响非常大。针对此种现象的主要措施是减少原煤中的砷含量、减少烟气中砷含量等。
3）硫酸盐引起的堵塞。这种堵塞的主要机理是由于烟气中的二氧化硫会在催化剂的作用下被氧化成三氧化硫，而此反应生成的三氧化硫可以和水、氨气等反应生成硫酸氨与硫酸氢氨，不仅浪费了氨气，也造成了对催化剂的堵塞。所以此时需要将反应温度提高到300摄氏度，并对五氧化二钒等催化剂中钒的担载量控制在1%左右。
（2） 案例分析。某燃煤电厂的烟气SCR脱硝系统使用的是运行22 020h的催化剂，首先为了测试导致催化剂失活的灰尘堵塞情况，测量了使用前和使用后催化剂的前端与中尾部的比表面积值，见表1。
从表中可以看出，从前端到尾部，催化剂的比表面积逐渐降低，说明前端受到了灰尘最大的影响。
另外，对催化剂的活性进行测试时发现，在模拟烟气的条件下，初次使用的催化剂，其SCR脱硝效率高达91%，此时温度为350℃。但是随着反应进程的进行，运行一段时间（约100分钟左右）后，前端催化剂的最大脱硝效率降低为35%左右，中部催化剂的最大脱硝效率降低为45%左右，尾部催化剂的最大脱硝效率降低为57%左右，都比初次使用时的活性明显下降，表明催化剂中有效成分出现缺失，即催化剂出现中毒现象。
4 结论
本文主要研究的是在燃煤电厂中，针对烟气SCR脱硝催化剂性能及失活的简单分析，从中分析了SCR脱硝的主要原理，并分析了飞灰引起的堵塞、SCR催化剂中毒以及硫酸盐引起的堵塞是引起催化剂失活的主要原因，以某电厂的实际案例数据分析了灰尘堵塞导致了催化剂的失活，以及催化剂中毒导致了脱硝效率的明显下降。
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