孟 維

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司環(huán)保分公司 北京 100098）

燃煤電廠失效脫硝催化劑的處理現(xiàn)狀及前景

孟 維

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司環(huán)保分公司 北京 100098）

介紹了燃煤電廠失效脫硝催化劑的現(xiàn)狀以及催化劑失效的原因，并詳細(xì)介紹了失效催化劑的處理思路和處理方式，主要是再生處理和回收處理，并展望了失效催化劑的處理新思路。

失效催化劑；再生處理；回收處理

引言

我國(guó)的燃煤量約占全世界燃煤量的50%。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國(guó)2015年煤炭消費(fèi)量雖然下降，但煤炭仍然是我國(guó)的主體能源。中電聯(lián)數(shù)據(jù)顯示，2015年中國(guó)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘?5.07億千瓦，其中煤電裝機(jī)8.84億千瓦，比重58.7%；2015年全國(guó)發(fā)電量5.60萬(wàn)億千瓦時(shí)，其中煤電3.76萬(wàn)億千瓦時(shí)。燃煤電廠是大氣污染物排放控制的最關(guān)鍵要素。從2003年以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展的階段，燃煤發(fā)電也在快速增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境的壓力越來(lái)越大，2012年，國(guó)家實(shí)施了國(guó)內(nèi)外最嚴(yán)格火電廠的排放標(biāo)準(zhǔn)。截止到2014年底，90%以上的燃煤電廠都安裝了煙氣脫硫和脫硝裝置[1]。2005～2015年全國(guó)火電廠煙氣脫硝機(jī)組情況見(jiàn)圖1。2015年底我國(guó)火電裝機(jī)容量將接近8.9億千瓦，SCR脫硝催化劑總用量近80萬(wàn)立方米，脫硝催化劑一般使用3年后將更換，目前，2012年前安裝的脫硝催化劑已經(jīng)進(jìn)入更換期，總量在10萬(wàn)立方米左右，預(yù)計(jì)在2020年后廢棄脫硝催化劑量穩(wěn)定在20萬(wàn)～25萬(wàn)立方米/年。大量的SCR脫硝催化劑將對(duì)我國(guó)的土壤和水體環(huán)境造成巨大的壓力。

圖1 2005～2015年全國(guó)火電廠煙氣脫硝機(jī)組情況

1 失效催化劑面臨的問(wèn)題

目前SCR催化劑基本都是以TiO2為基材，以V2O5為主要活性成份，以WO3、MoO3為抗氧化、抗毒化輔助成[2]。由于脫硝催化劑包含五氧化二釩、三氧化鎢等重金屬成分，國(guó)家環(huán)境保護(hù)部于2014年8月正式發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)廢煙氣脫硝催化劑監(jiān)管工作的通知》，將廢煙氣脫硝催化劑（釩鈦系）納入危險(xiǎn)廢物進(jìn)行管理，并將其歸類為《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》中“HW49其他廢物”[3]。因此，每年淘汰的如此大量的廢棄催化劑如不進(jìn)行妥善處置，勢(shì)必對(duì)環(huán)境造成巨大的二次污染，同時(shí)也會(huì)造成催化劑中貴重金屬資源的浪費(fèi)。

2 脫硝催化劑的失效原因

催化劑失效原因[4-6]包括：磨蝕和堵塞、催化劑中毒以及溫度過(guò)高引起催化劑燒結(jié)等。

2.1 磨蝕和堵塞

磨蝕主要是煙氣中灰塵撞擊催化劑表面造成的，這種情況造成的催化劑失效是不可逆的過(guò)程。催化劑孔內(nèi)流速過(guò)高，煙氣粉塵濃度高，流場(chǎng)問(wèn)題都會(huì)加劇磨損。而堵塞主要是高濃度的煙塵或者是過(guò)低的煙氣流速，導(dǎo)致飛灰粘附在催化劑的活性部位，引起催化劑鈍化。

2.2 催化劑中毒

煙氣中的有害物質(zhì)（如堿金屬和砷等物質(zhì)）與催化劑發(fā)生反應(yīng)是造成催化劑中毒的主要原因。

2.3 燒結(jié)

溫度過(guò)高會(huì)使催化劑結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而使催化劑燒結(jié)。若煙氣溫度長(zhǎng)時(shí)間維持在450℃以上會(huì)使催化劑活性大大降低。

3 催化劑處理方式

脫硝催化劑是SCR技術(shù)的核心部件，使用約三年后進(jìn)行更換，根據(jù)脫硝催化劑的失活原因從而對(duì)失效催化劑進(jìn)行再生處理或回收。

3.1 失效催化劑的再生處理

這是將失活的催化劑通過(guò)一系列物理或化學(xué)程序，恢復(fù)其部分活性，使其能夠再次達(dá)到所需性能的一種方式。催化劑再生需要在現(xiàn)場(chǎng)采用專用工具進(jìn)行該一系列的操作，通常的程序包括應(yīng)用嚴(yán)格的物理方法去除沉淀粉塵，再采用化學(xué)解決方案對(duì)失活催化劑進(jìn)行再生，可將失活催化劑的化學(xué)活性恢復(fù)[7]。典型的脫硝催化劑再生流程見(jiàn)圖2。再生后催化劑的脫硝活性可以恢復(fù)新催化劑的90%；磨損強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度分別可達(dá)新催化劑的87.95%和88.90%；SO2氧化率等性能指標(biāo)可以與新催化劑接近，再生后催化劑的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，再生后催化劑的機(jī)械壽命應(yīng)大于5年，化學(xué)壽命應(yīng)大于1.6萬(wàn)小時(shí)[8]。

在實(shí)際的處理過(guò)程中，通常需要先對(duì)失效催化劑的失活原因進(jìn)行取樣分析，再制定具體的再生程序。因此，這些工作需要具有專利技術(shù)的國(guó)外專業(yè)公司進(jìn)行操作，才能在不損傷催化劑的前提下恢復(fù)一定的活性。而再生的效果亦取決于催化劑的失活原因，物理原因例如堵塞，再生的效果要好一些，化學(xué)原因則需要看催化劑的變質(zhì)是否屬于不可逆轉(zhuǎn)的機(jī)理，以及可恢復(fù)活性的程度。催化劑再生的成本則取決于再生程序的復(fù)雜程度，復(fù)雜的再生程序成本有時(shí)會(huì)高于替換同體積的全新催化劑，因此在采用該種方式處理實(shí)效催化劑時(shí)，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)與遠(yuǎn)期運(yùn)行的效果。

圖2 典型的脫硝催化劑再生流程

3.2 失效催化劑的回收處理

失效催化劑的常用回收方法可分為間接回收法和直接回收法[9]。其中直接回收法又可分為分離法和不分離法，間接回收法可分為干法、濕法和干濕結(jié)合法。受到各種因素的制約，以及回收效益的影響，一般失效催化劑的回收方法多采用間接回收法。間接回收法主要分為：

（1）干法回收工藝

干法回收是用固體堿與廢催化劑混合，在空氣中灼燒熔融，使其中的V2O5轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘拟C酸鹽。加水溶解K3VO4，分離TiO2和K3VO4，將溶液煮沸，釩酸鹽水解析出V2O5。干法提釩一般燃料及堿消耗量大，回收釩成本高。同時(shí)，由于廢催化劑中SiO2，Al2O3等雜質(zhì)元素焙燒時(shí)，釩轉(zhuǎn)化為不溶于水的含釩硅酸鹽，釩氧化物從水浸出率降低，詳細(xì)工藝需進(jìn)一步研究。

（2）濕法回收工藝

催化劑經(jīng)使用后，其中的釩主要以V2O5和VOSO4形式存在，后者所占比例有時(shí)可達(dá)40%～60%。催化劑中低價(jià)含釩鹽易溶于酸而難溶于堿，而V2O5易溶于堿難溶于酸，因而可用酸液或堿液浸取，一些研究大都用酸浸取[10]。

濕法回收催化劑成分的工藝為一般可分為：沉淀法、萃取法和離子交換法等物理化學(xué)方法[9]。沉淀法主要是在一些介質(zhì)中釩酸、鎢酸和鉬酸的溶解度不同，可以通過(guò)溫度的升高，來(lái)實(shí)現(xiàn)釩鎢鉬的分離；萃取法主要通過(guò)萃取劑（如TBP、R2SO等）實(shí)現(xiàn)釩鎢鉬的可溶性鹽溶液的分離；離子交換法是通過(guò)鎢鉬酸根在離子交換樹(shù)脂吸附的差異，從而對(duì)鎢鉬進(jìn)行分離。

廢棄脫硝催化劑再生與回收技術(shù)是具有創(chuàng)新性和巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景的技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)也成為各催化劑生產(chǎn)廠的研究熱點(diǎn)。

4 脫硝催化劑處理技術(shù)的前景

在SCR法中對(duì)于脫硝催化劑的投資很大，并且未來(lái)幾年催化劑的更換量很大，大量的失效催化劑需要合理處置，找到更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保并且可以實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用的途徑勢(shì)在必行。目前失效催化劑的再生技術(shù)和回收技術(shù)可以有效延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，并減少了失效催化劑的處置費(fèi)用和給環(huán)境帶來(lái)的二次污染，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。但是現(xiàn)有催化劑的處理技術(shù)仍有很多技術(shù)難題需要解決，比如處理成本問(wèn)題，有些情況下，催化劑再生的處理成本甚至超過(guò)催化劑生產(chǎn)的成本。

催化劑處理技術(shù)作為我國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的新興技術(shù)，技術(shù)上還面臨著很大的挑戰(zhàn)，但這對(duì)于國(guó)內(nèi)很多企業(yè)也意味著重大機(jī)遇，這需要國(guó)內(nèi)的專家及企業(yè)不斷創(chuàng)新，研發(fā)適合我國(guó)的SCR脫硝催化劑處理技術(shù)和裝備。

[1]中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)脫硫脫硝委員會(huì).脫硫脫硝行業(yè)2015年發(fā)展綜述[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè),2017,1:6-21.

[2]夏懷祥.選擇性催化還原法（SCR）煙氣脫硝[G].燃煤電站煙氣污染物排放控制工程技術(shù)叢書(shū),2012:24-26.

[3]李金惠,楊連威.危險(xiǎn)廢物處理技術(shù)[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2006.

[4]強(qiáng)華松,劉清才.燃煤電廠SCR脫硝催化劑的失活與再生[J].材料導(dǎo)報(bào),2008,(22):285-287.

[5]劉慷,張強(qiáng),虞宏等.火電廠脫NOx用SCR催化劑種類及工程應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù),2009,25(4):10-12.

[6]陳其顥,朱林.SCR失效催化劑及其處置與再利用技術(shù)[J].電力科技與環(huán)保,2012,28(3):27-28.

[7]徐曉亮,黃麗娜,廖明烽.SCR脫硝催化劑循環(huán)再利用的研究進(jìn)展[J].綠色科,2011,(6):6-9.

[8]王春蘭,宋浩,韓東琴.SCR脫硝催化劑再生技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].技術(shù)與工程應(yīng)用,2014,4:22-25.

[9]林德海,宋寶華,王中原.廢棄SCR脫硝催化劑資源回收[J].山東化工,2013,42:8-10.

[10]Brett M B,Jammi M C,Dmitriy L,et al.Diazene(HN=NH)is a substrate for nitrogenase:insights into the pathway of N2 reduction[J].Biochemistry,2007,46(23):6784-6794.

孟維（1990-），碩士研究生，從事燃煤電廠煙氣處理工作，具有豐富的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。