电厂脱硝催化剂活性下降分析

刘刚

摘要：燃煤电厂对后期排放的氮氧化物采用的是选择性催化还原技术()进行处理，但是中国的脱硝技术发展时间较短，大部分依靠引进国外技术。这就导致实际在应用的时候经济性较差，而且在使用催化剂时会失去活性，为了降低成本，催化剂会再次利用。文章针对燃煤电厂的脱硝催化剂失活和再生的问题进行多角度、深层次研究。

关键词：燃煤电厂；脱硝催化剂

1、电厂脱硝催化剂失活的主要原因

1.1磨损

由于是装置于电厂的除尘装置前面，这就使得烟气或携带有一些飞灰颗粒。经过高度碰撞之后，这些颗粒会磨损催化剂。而具体的磨损程度，则受到催化剂的烟气流速、颗粒粒径分布、颗粒浓度、机械强度、撞击角度等影响。为了减少此种磨损现象，一般会对催化剂口边缘进行硬化处理，或是采用有着较高耐磨程度的材料来制作催化剂。

1.2堵塞

我们知道，催化剂中含有V2O5，在V2O5作用下烟气中含有的SO2可以被氧化成SO3，SO3和H2O及NH3反应，会形成硫酸铵与硫酸氢铵，而硫酸氢铵的粘附性很强，容易将催化剂孔堵塞。同时，催化剂表面的微孔也可能进入烟气中较小粒径的飞灰，进而堵塞催化剂孔。而催化剂堵塞的又一种形式，则是通道堵塞。在流经反应器的时候，燃煤烟气所携带的飞灰颗粒会在催化剂表面积极，若是不及时清理，就会在表面积聚越来越多的飞灰，从而堵塞通道。烟气中除了较小粒径的飞灰颗粒，还会夹杂着某些较大尺寸的灰粒，也就是“爆米花灰”。由于这些灰粒的粒径比催化剂的通道尺寸大，就会出现堵塞催化剂通道的情况。

1.3中毒

（1）碱金属中毒碱金属在煤中主要以两种形式存在，一种为非活性碱，其存在于硅酸盐矿物中如长石、云母等；另一种为活性碱，比如有机酸盐、碳酸盐、硫酸盐等。在碱金属接触到催化剂表面的时候，催化剂活性位置的碱金属会喝其他物质发生反应，致使催化剂出现钝化。（2）砷中毒在具体运用催化剂的时候，致使催化剂失活的一项重要因素就是砷中毒，尤其是在低飞灰情况下，更是降低催化剂活性的关键因素。引起砷中毒的，是烟气中所含有的As2O3。As2O3分散于催化剂汇总，并在非活性与活性区域固化，进而限制到催化剂内反应气体的扩散，破坏到毛细管。此种催化剂中毒情况无法逆转，会严重影响到运行。

2、催化剂再生

脱硝系统最为重要的组成部分就是催化剂，直接关系到整个系统的脱硝效果，而且催化剂的活性会随着系统运行时间的增加出现下降的趋势，一般情况下到3年时间就需要整体更换。但是对于燃煤电厂使用脱硝的机组来说，大量的更换必然会废弃很多脱硝催化剂的产生，而更换催化剂的成本占比会超过30%，如果采用再生工艺，能够有效降低生产成本。通常情况下，失活催化剂的基本活性体积为60%～70%，主要是因为孔道堵塞、活性位被覆盖导致失活。从本质上来说可以采用失活催化剂再生的方法，比如热还原再生、SO2酸化热再生、酸洗再生、碱洗再生等等。第一，水洗再生。通过高压空气清洗催化剂结合去离子水，对催化剂表面的可溶性毒物质去除，最后采用空气干燥的方法冲洗掉催化剂表面的颗粒物。但这种方法没有办法恢复因为碱金属导致的失活。第二，对于失活催化剂来说，其中的酸液再生会清除催化剂的表面，恢复其失活催化剂的酸性。有相关学者通过实验研究得出，对于碱金属中毒使用硫酸酸洗再生法之后，可以恢复活性90%以上，而且把SO2引入催化剂表面，也能够洗去表面上的钒。通过碱液处理失活催化剂，利用可溶性的特点清除催化剂表面的有毒物。有相关学者研究得出，对于失活的脱硝催化剂活性想要得以恢复，可以采用NaOH溶液，提升催化剂的比表面积。第三，热还原再生失活催化剂，能够对催化剂表面的硫酸铵盐进行分解，再通过降温处理的方式暴露出活性位点。对气体进行还原，在高温条件下会在惰性保护气体中融入NH3或H2。第四，SO2酸化热再生就是在酸化再生催化剂，在气态条件下通过高温处理催化剂，增强其酸强度，提高催化剂表面的酸性位点，进一步增加催化剂的活性。

3、催化剂的未来发展

3.1研发高性能

脱硝催化剂我国煤质复杂，准东高碱煤，东北蒙东高砷煤，南方高汞、高硫高灰煤，直接导致燃煤电厂烟气中含有多种易导致催化剂中毒的成分。政策鼓励采用“生物质利用+焚烧”处置模式，将垃圾焚烧发电厂、燃煤电厂、水泥窑等协同污泥和生物质燃料作为其处置的补充。掺烧污泥和生物质燃料产生烟气成分较为复杂，除氮氧化物、硫氧化物，还有氯化物、重金属等。因此需要持续从催化材料组成、表面微结构设计，创新材料解决机组低负荷运行时，催化剂低温脱硝活性、疏水性与耐铵盐沉积中毒等难题，适应烟气中的碱和重金属成分，减缓催化剂失效。

3.2开展复杂烟气工况

催化工艺研究全面开展实际烟气条件下（低温、高尘、高硫等）催化剂性能评价试验，建立反应温度、空速、水蒸气、SO2等参数与催化剂活性和稳定性的之间的关系，为宽温脱硝催化剂的推广应用提供可靠的基础数据。蜂窝催化剂挤出成型工艺已经成熟，但该工艺对活性组分用量，生产工艺参数有较为严格的要求，并且对于高孔数蜂窝催化剂的成型较为困难。涂覆工艺能显著节约原料，降低催化剂的成本，具有工艺操作简单，强度高，容易再生的优点，此适合高孔数，高含量活性组分的蜂窝催化剂制造，可以满足不同领域烟气的脱硝需求。

3.3开发宽温脱硝催化剂的选型设计方法

根据燃煤电厂烟气条件，合理设计脱硝催化剂是脱硝系统正常运行的关键。基于大数据筛选催化剂配方、考虑具体烟气工况的影响，计算催化剂用量、活性成分含量、系统运行耗氨量、喷氨温度、催化剂布置方式及催化剂寿命等技术参数，得到满足工程条件的可用于烟气脱硝的催化剂设计选型参数。在满足脱硝性能要求的前提下，应尽量减少损耗及事故率，提高系统运行效率，降低脱硝系统的运行成本。

3.4探索脱硝催化剂原位/离线再生方法

通过试验及理论计算，获得低温条件下ABS在催化剂及反应系统中生成及累积条件（温度、空速、NO/NO2、水蒸气等），全面评估宽温催化剂在低温运行的安全性。同时，开发基于不同材料与中毒物质特征的原位解析方法与技术，延长催化剂使用寿命。

3.5实施脱硝催化剂

全寿命管理宽温脱硝催化剂投资成本较高，且催化剂有使用寿命限制，到期后需加装或更换新的催化剂，增加投资成本。因此应通过加强催化剂管理，规范安装、运行、检测及维护等全寿命管理过程，延长催化剂使用寿命。随着运行时间增加，催化剂的失活不可避免，脱硝催化剂的全寿命管理对延长催化剂的使用寿命具有重要意义。废旧催化剂被定性为危险固体废弃物，处理难度大，加强废旧催化剂的处理技术研发，包括催化剂的二次再生技术以及从废旧催化剂中提取微量元素、回收有效成分等是未来发展趋势。

结语

总之，作为选择性催化还原法的核心所在，催化剂的成本约占到脱硝系统初期建设成本的30%~40%。并且，一般在运行了3-5年之后就应进行更换，这就会使系统的运行成本高居不下。《对于可逆中毒的催化剂，如果采用适当的再生工艺，则可实现更换费用的极大节省，且可使脱硝效率恢复到初始效率的90%~100%。此外，催化剂就任其废弃的话，将会给环境造成严重污染，所以，对催化剂失活开发、采用适当的回收方法及再生方法，显得尤为关键。

参考文献

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