氧化铝悬浮炉烟气脱硝SCR催化剂失活因素分析

2020-11-04刘海滨沈阳鑫博工业技术股份有限公司

环球市场 2020年21期

刘海滨沈阳鑫博工业技术股份有限公司

一、概述

根据烟气中含有的杂质能否与催化剂的活性成分发生反应，是否进而消耗反应活性成分，将催化剂失活分为物理失活与化学失活。物理失活：主要指催化剂高温烧结、活性镀层磨损和催化剂空隙堵塞而引起的催化剂失活[1]；化学失活：主要指碱土金属盐、碱金属盐和As的氧化物等引起的催化剂中毒[2]。在实际氧化铝悬浮炉生产当中，催化剂的失活往往是物理与化学失活并存的。

二、催化剂的物理失活

（一）催化剂的高温烧结

SCR脱硝催化剂为钛基催化剂，其在烟气环境温度为320℃～380℃，但若焙烧炉系统出现超温，使SCR反应器入口烟气温度过高，使催化剂长期暴露在450℃以上的高温中，可能引起催化剂表面的烧结，当烟气温度高于650℃时，载体TiO2会发生相变，从锐钛矿型向金红石型转变，此变化会造成催化剂内微晶聚集，导致催化剂颗粒增大、催化剂表面积减小，从而降低催化剂活性[3]。

氧化铝悬浮炉烟气脱硝装置中为防治SCR催化剂高温烧结，可控制进入催化剂的烟气的温度不高于催化剂的允许温度；使催化剂使用寿命不受影响。

（二）催化剂的堵灰

催化剂的堵灰会降低催化剂的活性，降低氮氧化物转化率。随着堵灰程度的日益加重，如不及时处理会使催化剂失活，反应器内烟气阻力大大增加，烟气流速加快，催化剂活性成分加剧磨损，脱硝性下降，最终影响悬浮炉烟风系统的正常运行[4]。

主要的防堵灰措施主要有：

（1）催化剂选用合适的节距。

（2）反应器内选用合适的烟气速度。

（3）当烟气中的灰分在30g/Nm3以上时，灰颗粒在必然在催化剂表面聚集[5]。因此，在每层催化剂上都布置了声波吹灰器，根据定期对催化剂表面进行吹扫。

（4）合理设计烟道和反应器外形尺寸，保证通过催化剂断面的烟气速度均匀，反应器内避免出现死角及烟气流动低速区。

（三）催化剂的磨损

催化剂磨损主要是由烟气中的粉尘颗粒对催化剂表面的冲击引起的，因此烟气流速快和颗粒物浓度高均会加速催化剂的磨损。此外，脱硝反应中设置了自动吹灰装置也会造成催化剂的磨损。

防止催化剂磨损采取的措施有：

（1）合理设计催化剂；

（2）选用合适的烟气速度；

（3）控制烟气中粉尘的浓度与粒度。

催化剂成分及结构设计方面采取的措施有：

（1）顶端硬化。催化剂可增加端部表面镀层的硬度，催化剂支撑架为金属网，当顶部逐渐被磨损后露出内部的金属基材，金属基材硬度较高可阻止烟气对下部的镀层进一步磨损。

（2）增厚。设计中增加整体催化剂的壁厚可有效延长催化剂的机械寿命。

（3）使用均质催化剂结构。

三、催化剂的化学失活

（一）水的毒化

烟气中的水以蒸汽的形式存在，水蒸汽在催化剂表面凝结一方面凝结水会进入催化剂毛细孔中，凝结水会随着在催化剂温度增加而汽化膨胀，催化剂内的细微结构被破坏导致催化剂的破裂。另一方面凝结水会加剧Na，K等碱金属盐溶解从而对催化剂造成毒化。此外，凝结水会加剧SO2对催化剂的毒害作用[7,8]。水的抑制作用是可逆的，这是由于水与NH3在Lewis位点的竞争性吸附。

（二）碱金属的毒化（K，Na等）

碱金属盐（K，Na等）可溶性高，溶解后的碱性比NH3的大，催化剂活性成份优先与碱金属盐反应，造成催化剂的活性下降。不同碱对催化剂的毒害作用遵循一系列Na2CO3＜K2CO3＜Na2SO4＜K2SO4＜NaCl＜KCl。

（三）碱土金属的毒化（Ca等）

碱土金属（Ca等）氧化物对催化剂的毒化作用比碱金属（K，Na等）氧化物毒化作用弱，因为Na+能同时中和催化剂上的强酸性位及弱酸性位，而Ca+对催化剂表面酸性位影响不大。碱土金属中Ca对催化剂的毒化作用主要是烟气中如果含有CaO，其会沉积在SCR催化剂表面与烟气中的SO3反应生成CaSO4堵塞催化剂孔洞，从而造成催化剂物理失活。

（四）SO2的毒化

烟气中的SO2在被催化剂上的V2O5氧化成为SO3，而后与烟气中的NH3反应，生成（NH4）2SO4和NH4HSO4，与CaO，MgO等碱土金属氧化物反应生成的CaSO4，MgSO4，这些生成物均会造成催化剂毛细孔的堵塞[6]。催化剂运行温度低于喷氨点可有效的为防止（NH4）2SO4和NH4HSO4的生成[7]。

（五）As的毒化

烟气中的气态As吸附在催化剂活性基上，造成催化剂的毒化。对于高As煤（5～30mg/Nm3），或者采用烟气再循环、液态排渣的低砷煤，需要通过采取措施：在催化剂中加入MoO3，与催化剂表面的V2O5复合型氧化物，降低As的毒化。

（六）XRF分析

为了分析催化剂化学失活的影响，对新旧催化剂进行XRF测试，结果见表1所示。

由表1可看出：催化剂的有效成分V2O5、TiO2、WO3含量随着催化剂的使用而减少，碱金属及碱土金属Na2O、K2O、MgO含量增高，CaO与SO3含量增高是由于烟气中的CaO与SO3反应生成CaSO4并附着在催化剂表面，堵塞催化剂孔道，影响催化剂的催化作用。As的进入与V2O5结合形成砷酸钒，导致钒失去活性，造成催化剂As中毒。