摘要:根據(jù)催化劑的特點(diǎn)及我國燃煤特性,指出了脫硝催化劑在使用中應(yīng)注意催化劑堵塞、活性降低等問題,通過機(jī)理分析導(dǎo)致催化劑性能降低的主要原因有堿性金屬影響、堿土金屬影響、砷中毒、硫及硫銨影響、燒結(jié)等因素。介紹了催化劑在工業(yè)應(yīng)用中的注意事項(xiàng)及相應(yīng)的解決方案。
我國火電廠用煤受我國煤炭資源和燃料供應(yīng)政策的制約,燃煤的品質(zhì)通常較差,燃煤的灰分、硫分等有害雜質(zhì)含量普遍較高。因此在使用SCR催化劑時(shí)燃料中的堿金屬、堿土金屬、砷,以及燃燒后產(chǎn)生的水蒸氣、飛灰、硫及硫銨等都對催化劑的使用造成影響,這些成分通過擴(kuò)散進(jìn)入催化劑的活性點(diǎn),占據(jù)著催化劑活性點(diǎn)位,催化劑將逐漸被鈍化,催化劑的活性隨著運(yùn)行時(shí)間的推移而降低,NOx還原效率下降,氨耗量增加,氨逃逸量增加,SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行成本將因有害元素的影響而上升。
1 堿金屬的影響
堿金屬與催化劑表面接觸,會(huì)使催化劑活性降低 。堿金屬在催化劑上沉積導(dǎo)致催化劑表面酸性大大降低,相同摩爾濃度的 K 與 Na 相比,K 中和效果更強(qiáng)。K 優(yōu)先配位到或者上的 OH 根上,K20與反應(yīng)生成,K 干擾了氨活性中間物種 NH4+的形成,從而導(dǎo)致催化劑的鈍化。避免催化劑表面水蒸氣的凝結(jié),可降低因堿金屬在催化劑表面積聚對催化劑活性的影響。
2 堿土金屬的影響
堿土金屬使催化劑中毒主要是飛灰中游離的CaO與催化劑表面吸附的反應(yīng)生成而產(chǎn)生的,引起催化劑表面結(jié)垢,會(huì)將催化劑表面遮蔽,從而阻止了反應(yīng)物向催化劑內(nèi)擴(kuò)散。通過適當(dāng)增加吹灰頻率,可降低飛灰在催化劑上的沉積量,降低 CaO在催化劑表面的沉積量是減緩催化劑中毒的有效手段
3 砷的影響
砷(As)來源于煤,在煙氣中以揮發(fā)性的形式存在分散到催化劑中并固化在活性、非活性區(qū)域,同時(shí)也會(huì)吸附在飛灰顆粒上(以氧化物的形式)。在砷中毒的過程中將使反應(yīng)氣體在催化劑內(nèi)的擴(kuò)散受到限制,且通道遭到破壞。催化劑發(fā)生 As中毒,特別是在液態(tài)排渣爐和飛灰再循環(huán)的過程中,會(huì)導(dǎo)致循環(huán)過程中砷的富集。以氧化物為形式的砷為例,它的中毒影響歸結(jié)于它的堿性。導(dǎo)致OH根被 As-OH(分布于表面的砷酸鹽)所取代。催化劑砷中毒后,氨不易吸附到中毒的催化劑活性點(diǎn)上,從而導(dǎo)致催化劑活性的降低。
在使用過程中可使催化劑表面對砷不具有活性,通過對催化劑表面的酸性控制,達(dá)到吸附保護(hù)的目的,使得催化劑表面不吸附氧化砷;另一種方法是改進(jìn)活性位,通過高溫煅燒獲得穩(wěn)定的催化劑表面,主要采用釩和鉬的混合氧化物形式,使As吸附的位置不影響SCR的活性位。
4 水蒸氣的影響
對于大多數(shù)運(yùn)行中的煙氣 SCR脫硝裝置中,都應(yīng)避免水蒸氣的凝結(jié)。凝結(jié)在催化劑上的水會(huì)將飛灰中的有毒物(堿金屬,鈣,鎂)轉(zhuǎn)移到催化劑上,從而導(dǎo)致催化劑失活。另外會(huì)使飛灰硬化并阻塞催化劑,使吹灰裝置的性能下降。燃油鍋爐中毒的危險(xiǎn)較大,主要是由于水溶性堿金屬含量較高。如果鍋爐燃用生物質(zhì)燃料,中毒現(xiàn)象會(huì)變得嚴(yán)重,這是因?yàn)檫@些燃料中水溶性的K含量較高。
5 飛灰的影響
飛灰是造成催化劑堵塞的一個(gè)主要原因,飛灰小顆粒沉積在催化劑孔隙中,阻礙 NOx、 和到達(dá)催化劑表面,從而引起催化劑失活。同時(shí)飛灰還容易造成催化劑的磨損。降低催化劑堵塞和磨損的措施主要有:
1)利用 CFD計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn),優(yōu)化流場設(shè)計(jì),來調(diào)節(jié)SCR反應(yīng)器內(nèi)的氣流分布,避免出現(xiàn)煙氣流動(dòng)低速區(qū)或死角。
2)在各層催化劑上方安裝吹灰器,對催化劑進(jìn)行定期吹掃。
3)選用合適的催化劑內(nèi)的煙氣速度,在保證較小煙氣阻力和低磨蝕的情況下,又能有效地利用煙氣的流動(dòng)避免堵灰。
4)對催化劑采用頂端硬化技術(shù),改善催化劑磨損。
6 硫及硫銨鹽的影響
硫及硫銨鹽是造成催化劑堵塞的另一個(gè)主要原因。是 SCR催化劑主要活性成分,但也同時(shí)促進(jìn)了氧化成。而系統(tǒng)噴出的在 250℃以下很容易與形成硫銨鹽,硫銨鹽不僅會(huì)堵塞催化劑孔道及微孔,而且會(huì)造成下游換熱設(shè)備的粘污。
7 燒結(jié)現(xiàn)象
當(dāng)溫度上升至 450℃時(shí),會(huì)發(fā)生催化劑的燒結(jié)現(xiàn)象,從而導(dǎo)致催化劑失活。因而我們在設(shè)計(jì) SCR反應(yīng)時(shí)合理的選擇反應(yīng)的溫度區(qū)間,通常反應(yīng)的最佳溫度在 360℃。
8 小結(jié)
(1)目前工程中應(yīng)用最多的 SCR催化劑主要成份為氧化物組成。
(2)在 SCR的應(yīng)用過程中,由于堿性金屬影響、堿土金屬影響、砷中毒、硫及硫銨影響、燒結(jié)等因素都會(huì)造成催化劑鈍化,需要采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防。
(3)催化劑研究方向應(yīng)符合國內(nèi)工程需要,著重在設(shè)計(jì)并制備高活性的催化劑上,改進(jìn)催化劑的組成,提高活性,降低成本,提高催化劑壽命。
(4)催化劑在實(shí)際工程應(yīng)用中,要通過合理的流場設(shè)計(jì) ,防止飛灰的沉積,定期對催化劑進(jìn)行吹掃;控制好溫度,防止催化劑燒結(jié);催化劑停用時(shí)要對催化劑進(jìn)行保護(hù)。