丁戰(zhàn)

摘? 要：催化劑是燃煤電站SCR系統(tǒng)實現(xiàn)氮氧化物氣體污染物（NOx）有效脫除的核心部分，而燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)運行過程中普遍存在催化劑失活、使用壽命較短的運行問題。該文從物理失活和中毒失活兩個角度介紹了SCR脫硝催化劑的失活機理，總結(jié)了催化劑失活方程，進而提出應(yīng)根據(jù)失活方程合理管理催化劑壽命，制定合理的催化劑更換策略。

關(guān)鍵詞：SCR催化劑? 失活機理? 失活方程? 催化劑壽命

中圖分類號：X701.7 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（c）-0083-02

我國電力行業(yè)的主要燃煤發(fā)電站為主，其燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物已經(jīng)成為我國主要的大氣污染物之一。大氣中的氮氧化物（NOX）極易引起溫室效應(yīng)、酸雨、光化學(xué)污染等環(huán)境問題，危害生態(tài)環(huán)境和人類身體健康。目前，以NH3作為還原劑的選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的一項煙氣脫硝技術(shù)。

SCR脫硝系統(tǒng)中，催化劑是整個系統(tǒng)的核心部分，價格昂貴，初步裝備催化劑的費用占據(jù)整個脫硝系統(tǒng)總投資的30%～50%。實際運行中，催化劑長期處在高溫高塵的環(huán)境下，易發(fā)生燒結(jié)，孔道堵塞和催化劑磨損的問題，并且由于煙氣成分復(fù)雜，常常使得催化劑中毒，活性降低，進而導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)脫硝效率低、NOx排放超標(biāo)。由于各種物理和化學(xué)的原因，現(xiàn)役的SCR催化劑往往無法達到設(shè)計運行時長，不僅造成極大經(jīng)濟浪費，增加系統(tǒng)運行成本，而且會對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。該文主要對SCR催化劑失活原因進行分析總結(jié)，對SCR催化劑壽命管理的研究進展進行系統(tǒng)的闡述，以期使讀者對SCR催化劑失活及壽命管理有深入的了解，為從事燃煤電站SCR脫硝的行業(yè)人員提供一定的理論支持。

1? SCR催化劑失活機理

1.1 SCR催化劑的物理失活

國內(nèi)電廠脫硝裝置處于高溫高壓運行狀態(tài)，大多采用以釩鈦基為主的板式商用催化劑，催化劑活性溫度在250℃～450℃[1]。長期暴露在高溫環(huán)境下，催化劑微晶尺寸將逐漸增大，催化劑載體和活性組分產(chǎn)生聚集，活性組分揮發(fā)，導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活，且催化劑燒結(jié)是不可逆失活，目前暫無方法對燒結(jié)失活后的催化劑進行再生處理。有研究表明，當(dāng)SCR脫硝系統(tǒng)溫度高于500℃時，催化劑將出現(xiàn)嚴(yán)重失活[2]，因此，運行工程中的SCR脫硝系統(tǒng)需要保持溫度穩(wěn)定在一合理區(qū)間，避免引起催化劑燒結(jié)失活。

現(xiàn)役的SCR脫硝系統(tǒng)由于脫硝系統(tǒng)設(shè)計不合理及催化劑機械強度不足等問題，攜帶有大量飛灰顆粒的高速煙氣沖刷催化劑，一方面磨損催化劑，加劇流場不均勻性，降低催化劑活性，進而影響脫硝效率;另一方面，持續(xù)的高速沖刷極易引起催化劑坍塌，危害機組運行。此外，飛灰顆粒與煙氣中的銨鹽等在催化劑表面沉降富集，堵塞催化劑反應(yīng)通道及內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)，減少了催化反應(yīng)面積，加劇煙氣流通阻力，導(dǎo)致催化劑活性降低，機組壓降增加，影響機組安全運行。

1.2 SCR催化劑的中毒失活

煙氣中存在的堿金屬、金屬氧化物、汞（Hg）和砷（As）以及水和硫化物等都會導(dǎo)致催化劑中毒，從而降低催化劑反應(yīng)活性，影響脫硝效率。有研究表明[3]，煙氣中的Na和K是催化劑中毒的主要原因，Na和K金屬具有良好的附著力和可溶性，影響催化劑活性成分中的B酸位點，進一步影響反應(yīng)中間體NH4+的形成。煙氣中存在的CaO雖然與催化劑活性成分的親和力較差，但是其與SO2和SO3反應(yīng)CaSO4會堵塞催化劑微孔，導(dǎo)致催化劑鈍化失活，同時，Ca也具有與堿金屬相同的毒化機理，抑制NH3的B酸位點。相對于堿金屬，CaO對催化劑得毒化作用相對較小。

國內(nèi)燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)通常布置于脫硫裝置前，煙氣中存在大量SO2。催化劑對部分SO2氣體有促進氧化的作用，生成的SO3與未反應(yīng)的氨氣和煙氣中微量的水分反應(yīng)生成硫酸氨和硫酸氫氨。

硫酸氫氨具有較強的黏性，附著于催化劑表面，阻礙煙氣與催化劑接觸，降低脫硝效率，并且硫酸氫氨會堵塞下游設(shè)備，造成空預(yù)器壓阻增大，機組能耗增加，不利于機組穩(wěn)定運行。

2? SCR催化劑壽命管理

影響催化劑反應(yīng)活性的原因有很多，為了增加催化劑使用壽命，不僅要對脫硝系統(tǒng)進行運行優(yōu)化，而且要制定合理的催化劑更換方案。近年來，基于SCR脫硝系統(tǒng)脫硝效率的催化劑使用壽命管理研究得到廣泛關(guān)注，從另一角度預(yù)測了催化劑失活特性，提出了催化劑更換策略。SCR催化劑使用壽命包括化學(xué)壽命和機械壽命，化學(xué)壽命即滿足脫硝系統(tǒng)脫硝效率大于85%，氨逃逸濃度小于3ppm，SO2/SO3轉(zhuǎn)換效率小于1%時的使用壽命，通?；瘜W(xué)壽命僅有24000h左右，而催化劑機械壽命100000h以上，因此，研究SCR催化劑化學(xué)壽命意義重大。

目前，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究和工程數(shù)據(jù)，只考慮以NO為主的選擇性催化還原反應(yīng)，得到了SCR催化劑活性方程為：

（1）

式中，KNO為催化劑活性，h-1;AV為催化劑面速度，h-1;XNO為NO的轉(zhuǎn)換率。由此得出的SCR催化劑失活方程為：

（2）

式中，k0為催化劑初始活性，h-1;t為催化劑使用時間，h;A為催化劑失活速率。催化劑失活速率可根據(jù)實際測得的催化劑活性、催化劑初始活性和使用時間計算得出，由此可得出催化劑失活函數(shù)，最后由NO轉(zhuǎn)換率與脫硝效率之間的關(guān)系，得出當(dāng)前催化劑活性及剩余壽命，對催化劑活性及壽命進行準(zhǔn)確的預(yù)估，及時更換催化劑。

國內(nèi)燃煤電站SCR脫硝系統(tǒng)通常布置3層催化劑以滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)催化劑活性無法滿足系統(tǒng)運行需要時，應(yīng)及時更換催化劑。雖然各層催化劑服役時間一致，但是第一層催化劑更接近煙道，流場更為復(fù)雜，易失活，所以傳統(tǒng)催化劑跟換策略是從上到下依次更換活性較低的一層催化劑。然而傳統(tǒng)催化劑更換方案成本較大，且不利于機組經(jīng)濟運行，有研究顯示，通過催化劑活性方程和失活方程，合理調(diào)換催化劑可以增加催化劑整體潛能，延長催化劑使用壽命，降低催化劑更滑成本，對催化劑壽命管理技術(shù)具有重大實際意義[3]。

3? 結(jié)語

影響催化劑活性的因素有溫度、飛灰、系統(tǒng)流場及煙氣成分，根據(jù)失活機理可以分為物理失活和化學(xué)失活兩大類。該文分析總結(jié)了燃煤電站SCR催化劑失活的原因，闡述了各失活機理對SCR脫硝系統(tǒng)的影響，得出依據(jù)各失活機理管理催化劑較為困難，進而介紹了目前被廣泛認(rèn)可的催化劑活性方程和催化劑失活方程。根據(jù)催化劑失活方程可以準(zhǔn)確預(yù)測各催化劑當(dāng)前活性及剩余壽命，幫助運行人員判斷催化劑使用狀況，為發(fā)電企業(yè)制定合理的催化劑更換策略，降低催化劑更換成本。

參考文獻

[1] 楊曉寧.火電廠SCR催化劑失活機理研究綜述[A].中國節(jié)能協(xié)會熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.2016燃煤電廠超低排放形勢下SCR脫硝系統(tǒng)運行管理及氨逃逸監(jiān)測、空預(yù)器堵塞與低溫省煤器改造技術(shù)交流研討會論文集[C].中國節(jié)能協(xié)會熱電產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟：北京中能聯(lián)創(chuàng)信息咨詢有限公司，2016：6.

[2] 胡小夫.釩鈦系SCR脫硝催化劑失活機理及循環(huán)再生技術(shù)[A].《環(huán)境工程》編委會，工業(yè)建筑雜志社有限公司.《環(huán)境工程》2018年全國學(xué)術(shù)年會論文集（中冊）[C].《環(huán)境工程》編委會，工業(yè)建筑雜志社有限公司，《環(huán)境工程》編輯部，2018：7.

[3] 李德波，廖永進，徐齊勝，等.燃煤電站SCR脫硝催化劑更換策略研究[J].中國電力，2014，47（3）：155-159.