燃煤电站SCR催化剂失活机理及其寿命管理的研究综述

丁战

摘  要：催化剂是燃煤电站SCR系统实现氮氧化物气体污染物（NOx）有效脱除的核心部分，而燃煤电站SCR脱硝系统运行过程中普遍存在催化劑失活、使用寿命较短的运行问题。该文从物理失活和中毒失活两个角度介绍了SCR脱硝催化剂的失活机理，总结了催化剂失活方程，进而提出应根据失活方程合理管理催化剂寿命，制定合理的催化剂更换策略。

关键词：SCR催化剂  失活机理  失活方程  催化剂寿命

中图分类号：X701.7    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）11（c）-0083-02

我国电力行业的主要燃煤发电站为主，其燃烧过程中产生的氮氧化物已经成为我国主要的大气污染物之一。大气中的氮氧化物（NOX）极易引起温室效应、酸雨、光化学污染等环境问题，危害生态环境和人类身体健康。目前，以NH3作为还原剂的选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术是国内外应用最广泛，技术最成熟的一项烟气脱硝技术。

SCR脱硝系统中，催化剂是整个系统的核心部分，价格昂贵，初步装备催化剂的费用占据整个脱硝系统总投资的30%～50%。实际运行中，催化剂长期处在高温高尘的环境下，易发生烧结，孔道堵塞和催化剂磨损的问题，并且由于烟气成分复杂，常常使得催化剂中毒，活性降低，进而导致脱硝系统脱硝效率低、NOx排放超标。由于各种物理和化学的原因，现役的SCR催化剂往往无法达到设计运行时长，不仅造成极大经济浪费，增加系统运行成本，而且会对环境造成负担。该文主要对SCR催化剂失活原因进行分析总结，对SCR催化剂寿命管理的研究进展进行系统的阐述，以期使读者对SCR催化剂失活及寿命管理有深入的了解，为从事燃煤电站SCR脱硝的行业人员提供一定的理论支持。

1  SCR催化剂失活机理

1.1 SCR催化剂的物理失活

国内电厂脱硝装置处于高温高压运行状态，大多采用以钒钛基为主的板式商用催化剂，催化剂活性温度在250℃～450℃[1]。长期暴露在高温环境下，催化剂微晶尺寸将逐渐增大，催化剂载体和活性组分产生聚集，活性组分挥发，导致催化剂烧结失活，且催化剂烧结是不可逆失活，目前暂无方法对烧结失活后的催化剂进行再生处理。有研究表明，当SCR脱硝系统温度高于500℃时，催化剂将出现严重失活[2]，因此，运行工程中的SCR脱硝系统需要保持温度稳定在一合理区间，避免引起催化剂烧结失活。

现役的SCR脱硝系统由于脱硝系统设计不合理及催化剂机械强度不足等问题，携带有大量飞灰颗粒的高速烟气冲刷催化剂，一方面磨损催化剂，加剧流场不均匀性，降低催化剂活性，进而影响脱硝效率;另一方面，持续的高速冲刷极易引起催化剂坍塌，危害机组运行。此外，飞灰颗粒与烟气中的铵盐等在催化剂表面沉降富集，堵塞催化剂反应通道及内部微孔结构，减少了催化反应面积，加剧烟气流通阻力，导致催化剂活性降低，机组压降增加，影响机组安全运行。

1.2 SCR催化剂的中毒失活

烟气中存在的碱金属、金属氧化物、汞（Hg）和砷（As）以及水和硫化物等都会导致催化剂中毒，从而降低催化剂反应活性，影响脱硝效率。有研究表明[3]，烟气中的Na和K是催化剂中毒的主要原因，Na和K金属具有良好的附着力和可溶性，影响催化剂活性成分中的B酸位点，进一步影响反应中间体NH4+的形成。烟气中存在的CaO虽然与催化剂活性成分的亲和力较差，但是其与SO2和SO3反应CaSO4会堵塞催化剂微孔，导致催化剂钝化失活，同时，Ca也具有与碱金属相同的毒化机理，抑制NH3的B酸位点。相对于碱金属，CaO对催化剂得毒化作用相对较小。

国内燃煤电站SCR脱硝系统通常布置于脱硫装置前，烟气中存在大量SO2。催化剂对部分SO2气体有促进氧化的作用，生成的SO3与未反应的氨气和烟气中微量的水分反应生成硫酸氨和硫酸氢氨。

硫酸氢氨具有较强的黏性，附着于催化剂表面，阻碍烟气与催化剂接触，降低脱硝效率，并且硫酸氢氨会堵塞下游设备，造成空预器压阻增大，机组能耗增加，不利于机组稳定运行。

2  SCR催化剂寿命管理

影响催化剂反应活性的原因有很多，为了增加催化剂使用寿命，不仅要对脱硝系统进行运行优化，而且要制定合理的催化剂更换方案。近年来，基于SCR脱硝系统脱硝效率的催化剂使用寿命管理研究得到广泛关注，从另一角度预测了催化剂失活特性，提出了催化剂更换策略。SCR催化剂使用寿命包括化学寿命和机械寿命，化学寿命即满足脱硝系统脱硝效率大于85%，氨逃逸浓度小于3ppm，SO2/SO3转换效率小于1%时的使用寿命，通常化学寿命仅有24000h左右，而催化剂机械寿命100000h以上，因此，研究SCR催化剂化学寿命意义重大。

目前，根据国内外相关研究和工程数据，只考虑以NO为主的选择性催化还原反应，得到了SCR催化剂活性方程为：

（1）

式中，KNO为催化剂活性，h-1;AV为催化剂面速度，h-1;XNO为NO的转换率。由此得出的SCR催化剂失活方程为：

（2）

式中，k0为催化剂初始活性，h-1;t为催化剂使用时间，h;A为催化剂失活速率。催化剂失活速率可根据实际测得的催化剂活性、催化剂初始活性和使用时间计算得出，由此可得出催化剂失活函数，最后由NO转换率与脱硝效率之间的关系，得出当前催化剂活性及剩余寿命，对催化剂活性及寿命进行准确的预估，及时更换催化剂。

国内燃煤电站SCR脱硝系统通常布置3层催化剂以满足超低排放标准，当催化剂活性无法满足系统运行需要时，应及时更换催化剂。虽然各层催化剂服役时间一致，但是第一层催化剂更接近烟道，流场更为复杂，易失活，所以传统催化剂跟换策略是从上到下依次更换活性较低的一层催化剂。然而传统催化剂更换方案成本较大，且不利于机组经济运行，有研究显示，通过催化剂活性方程和失活方程，合理调换催化剂可以增加催化剂整体潜能，延长催化剂使用寿命，降低催化剂更滑成本，对催化剂寿命管理技术具有重大实际意义[3]。

3  结语

影响催化剂活性的因素有温度、飞灰、系统流场及烟气成分，根据失活机理可以分为物理失活和化学失活两大类。该文分析总结了燃煤电站SCR催化剂失活的原因，阐述了各失活机理对SCR脱硝系统的影响，得出依据各失活机理管理催化剂较为困难，进而介绍了目前被广泛认可的催化剂活性方程和催化剂失活方程。根据催化剂失活方程可以准确预测各催化剂当前活性及剩余寿命，帮助运行人员判断催化剂使用状况，为发电企业制定合理的催化剂更换策略，降低催化剂更换成本。

参考文献

[1] 杨晓宁.火电厂SCR催化剂失活机理研究综述[A].中国节能协会热电产业联盟.2016燃煤电厂超低排放形势下SCR脱硝系统运行管理及氨逃逸监测、空预器堵塞与低温省煤器改造技术交流研讨会论文集[C].中国节能协会热电产业联盟：北京中能联创信息咨询有限公司，2016：6.

[2] 胡小夫.钒钛系SCR脱硝催化剂失活机理及循环再生技术[A].《环境工程》编委会，工业建筑杂志社有限公司.《环境工程》2018年全国学术年会论文集（中册）[C].《环境工程》编委会，工业建筑杂志社有限公司，《环境工程》编辑部，2018：7.

[3] 李德波，廖永进，徐齐胜，等.燃煤电站SCR脱硝催化剂更换策略研究[J].中国电力，2014，47（3）：155-159.