火電廠失活脫硝催化劑機(jī)理研究綜述

隨著氮氧化物(NOx)排放政策的日益嚴(yán)格，選擇性還原法(SCR)煙氣脫硝技術(shù)成為火電廠NOx控制的首選。應(yīng)用最為廣泛的是布置于鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間的高溫高粉塵脫硝系統(tǒng)，商業(yè)釩鈦基(V2O5-TiO2)催化劑在此系統(tǒng)具有良好的脫硝活性。

脫硝催化劑價(jià)格昂貴，致使催化劑初裝費(fèi)用占到SCR脫硝系統(tǒng)總投資的30%-50%。長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫、高粉塵的復(fù)雜煙氣條件下，催化劑容易發(fā)生燒結(jié)失活、孔道堵塞以及活性位點(diǎn)中毒等造成活性下降的問(wèn)題。因?yàn)楦鞣N物理或者化學(xué)原因造成催化劑無(wú)法達(dá)到壽命期，不僅增大了催化劑利用成本，而且會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)造成負(fù)擔(dān)。對(duì)催化劑失活機(jī)理以及原因進(jìn)行研究總結(jié)，針對(duì)不同電廠運(yùn)行狀態(tài)提出合理建議，可以有效預(yù)防催化劑失活、降低運(yùn)行成本。

1燒結(jié)以及堵塞鈍化

釩基催化劑活性溫度窗口為250-450 ℃，在高溫?zé)煔庵虚L(zhǎng)時(shí)間暴露可能發(fā)生燒結(jié)失活。文獻(xiàn) 對(duì) TiO2-WO3-V2O5 的熱穩(wěn)定性研究表明，高溫可以引起載體TiO2晶態(tài)以及活性成分V2O5聚合態(tài)的變化;而且高溫?zé)Y(jié)造成的失活為不可逆性失活，無(wú)法對(duì)催化劑進(jìn)行再生活化處理。國(guó)內(nèi)電廠SCR 脫硝系統(tǒng)不設(shè)旁路，當(dāng)前電廠脫硝裝置高溫運(yùn)行大多采用板式催化劑，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)催化劑因運(yùn)行溫度過(guò)高造成燒結(jié)失活的案例。

煙氣中飛灰顆粒、銨鹽等在催化劑表面沉積富集，會(huì)堵塞催化劑孔道以及內(nèi)部微孔。催化劑孔道堵塞不僅直接減少了催化反應(yīng)面，而且造成煙氣流通阻力增大;而催化劑微孔堵塞則抑制了NOx、NH3等氣體反應(yīng)物向活性位點(diǎn)的擴(kuò)散，造成脫硝性能的下降。圖1為運(yùn)行后蜂窩催化劑單體的堵塞照片。在運(yùn)行過(guò)程中，催化劑孔道堵塞嚴(yán)重會(huì)造成系統(tǒng)壓力增大，直接影響到機(jī)組的安全性。

2沖刷及磨損失活

脫硝裝置運(yùn)行過(guò)程中，由于流場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理或者催化劑機(jī)械強(qiáng)度不足等問(wèn)題，易造成催化劑的沖刷坍塌等事故。圖2所示為國(guó)內(nèi)某電廠催化劑模塊吹刷狀況圖。催化劑沖刷不僅造成脫硝性能的下降，造成局部氨逃逸過(guò)大，而且加劇了流場(chǎng)的不均勻性，對(duì)脫硝系統(tǒng)阻力分配以及空預(yù)器等下游設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 堿金屬中毒

堿金屬元素以其良好的附著力和可溶性對(duì)SCR催化劑產(chǎn)生物理或者化學(xué)毒化作用，被認(rèn)為是對(duì)催化劑毒性最大的一類元素。根據(jù)Topsøe 提出的釩基 SCR 催化劑催化機(jī)理，K、Na等堿金屬的存在不僅影響V-OH 或者W-OH的B 酸位點(diǎn)，抑制第一步反應(yīng)中活性中間體 NH4+ 的形成;而且堿金屬占據(jù)催化劑表面氧空位，降低表面化學(xué)氧中心數(shù)量，使得活性位點(diǎn)還原性能降低，致使第二步中NH4+ 氧化為NH3+ 過(guò)程以及第四步反應(yīng)H-O-V4+ 再氧化為V5+ =O過(guò)程受阻。