SCR脱硝催化剂失活及其原因探讨

SCR脱硝催化剂失活及其原因探讨

吴宇

内蒙古电力科学研究院 内蒙古 呼和浩特 010020

摘要： SCR 脱硝工艺是火电厂常用的烟气处理工艺，但是 SCR 脱硝催化剂运行过程中会出现催化剂活性下降，影响到脱硝效率。因此，分析 SCR 脱硝催化剂失活的原因，对提高火电厂脱硝效率具有重要意义。

关键词：SCR 脱硝；催化剂失活；火电厂；节能减排

火电厂发电过程中，需要燃烧大量的煤炭，煤炭燃烧过程中会释放大量的氮氧化物、硫化物等有害物质，对大气环境造成一定的危害。虽然我国大部分的火电厂锅炉配置了低氮燃烧技术，对烟气中的氮氧化物进行处理，但是目前我国的脱硝技术有限，无法达到国家环保部门关于大气排放标准。为了积极响应国家节能减排的号召，大多数燃煤电厂开始使用 SCR 烟气脱硝机组设备。SCR 脱硝工艺的原理是向锅炉排放烟气中喷淋 NH3 等还原剂，烟气中的氮氧化物和还原剂发生化学反应，生成 N2 和 H2O。然而 SCR 脱硝机组运行一段时间以后，催化剂活性下降，脱硝效率脱硝效率会大幅降低，还原剂耗量增大，氨逃逸浓度升高。因此，分析 SCR 脱硝机组催化剂失活的原因，并采取有效的措施，对提高燃煤电厂脱硝机组的脱硝效率具有重要意义。

1 SCR 催化剂构成

火电厂 SCR 烟气脱硝工艺中一般使用钒基作为催化剂，钒基的活性成分为 V2O5，其反应过程如下：烟气中的 NH3 被催化剂中的 V-OH,W-OH 吸附，然后被 V=O 基团活化，V=0 基团被还原为 V=OH，并与烟气中的 NH3 发生反应生成 N2 和 H2O。由于火电厂的锅炉中一氧化氮几乎占整个氮氧化物总量的 95%，所以还原剂主要和烟气中的一氧化氮气体发生化学反应，其反应方式如下：

4NO+NH₃+O₂ → 4N₂+6H₂O

4NH₃+2NO+2NO₂ → 4N₂+6H₂O

4NH₃+2NO₂+O₂ → 3N₂+6H₂O

从上述反应公式可以看出，脱硝催化剂必须具有酸性位和氧化还原反应中心，酸性位置有利于 NH3 还原剂的吸收活化，氧化还原中心则可以让氧化剂和还原剂发生化学反应。氧化还原反应中心一般由可变价过渡金属离子构成，比如 Cu³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Ce³⁺ 等金属离子。通过沉淀法得到 CeO₂-WO₃复合氧化剂催化剂，然后使用红外线光谱进行识别，发现催化剂的活性位是 CeO₂。将 WO₃ 添加在活化剂中，可以提高催化剂表面的酸位数量、强度和氧化 NO 的性能。实验表明，200~450℃条件下，氮氧化物的转化率几乎达到了 100%。

2 SCR 脱硝催化剂实验

2.1 实验准备

实验使用 SCR 脱硝催化剂来自某火电厂，该火电厂的 SCR 脱硝催化剂为蜂窝型块状催化剂，主要成分是 V2O5、TO2，此次实验一共选两种催化剂样品，一块是已经运行 14400h 的催化剂，催化剂样品是样品为 18×18 孔，节距是 804mm，厚壁为 1.1mm；另外一块是同一个生产厂家没有使用的催化剂，样品为 18×18 孔的催化剂，节距为 808mm，厚壁为 1mm。此次实验样品截取了运行后催化剂和没有使用催化剂前端的 2 ～ 5cm 处。SCR 脱硝催化模拟实验装置包括气体混合加热器、模拟配气瓶组、模拟反应器、烟气分析系统。

图 1 为实验模拟烟气装置流程图

图中模拟反应器是圆柱形的不锈钢管式电加热炉，尺寸大小为50cm×50cm×50cm，模拟反应器中的烟气中的 NO、O2、SO2 则用烟气分析仪在线检测。在模拟烟气环境下测量脱硝效率，其中氮氧化物为 500mg/m³，SO2 为 1500mg/m³，O2 为 4%，模拟实验温度为 380℃。

2.2 运行结果分析

2.2.1  SCR 脱硝表观性能分析

通过 SCR 脱硝模拟实验装置对已经运行一段时间的催化剂和完全没有使用的催化剂进行检测，两种催化剂的脱硝效率还是催化剂活性都有很大的差异，其中已经运行一段时间的催化剂活性性能明显下降，脱硝效率降低到32.7%，催化剂活性降低到0.57,远远低于系统设计脱硝效率的80%和0.69的催化活性。

2.2.2  SCR 脱硝微观性能分析

V=0 基团的红外线特征峰波数值为 1020cm-1，从未使用的催化剂 V2O5 峰宽 1000~1336cm-1，峰宽相对比较理想，特征峰比较明显，但是运行以后的催化剂 V2O5 的峰宽在 970~1153cm-1 范围，峰宽值变小，特征峰值也减弱。由此可以得出，运行中部分催化剂 V2O5 晶相无法转化为活性 V=0 或者存在一定活性流失。

2.2.3 孔隙结构分析

通过孔隙结构分析法可以看出，样品中含有大量的大孔结构。运行一段时间的催化剂滞后环开始的时候压力相对比较小，说明催化剂中含有孔径比较小的中孔结构，且运行一段时间催化剂的吸附峰值也小于没有使用的催化剂，说明运行后的催化剂大孔径流失的比较严重。

2.3 催化剂表面沉积物

烟气中催化剂和氮氧化物发生化学反应，生成了氮气和水，这些水容性离子会堆积在催化剂的表面，影响到催化剂的催化效果。比如水中的 Na+、K+、Fe+ 等金属离子降低了 SCR 脱硝催化剂中的活性位 B 酸位数量，从而影响到催化剂的脱硝效率。同时，这些 Na+、Cu+、Fe+ 等金属离子和水中的阴离子发生化学反应生成金属氧化物硫酸钠、高锰酸钾等物质，这些沉淀物质会堵塞催化剂孔道，导致催化剂的大孔结构消失。

3 结论

从上述实验可以看出，运行一段时间的催化剂脱硝性能下降，催化剂活性失效的原因是运行后催化剂中 Na+、K+、Fe+ 和水中的阴离子发生化学反应，生成金属离子，这些金属氧化物通常会造成催化剂表面堵塞，并对催化剂酸性中心的活性产生一定的毒害。同时，催化剂持续高温运行以后，催化剂相态发生变化，表面面积减少，使得催化剂无法再生，影响到催化剂的活性。

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