摘要：本文主要针对火电厂SCR脱硝催化剂进行分析和探讨，论述了火电厂脱硝催化剂技术目前的研究情况，总结了技术的主要内容和关键点，并对研究进展也进行了分析，希望能够为今后火电厂脱硝催化剂的技术研究提供参考。
关键词：火电厂，SCR脱硝催化剂，进展
当前，在火电厂SCR脱硝催化剂技术的研究过程中，依然存在不少问题，为此我们必须要更加深入的展开探讨，进一步提升其技术的水平，从而在研究的过程中，能够进一步的提升研究的效果，也确保其更加富有成效。
1、火电厂SCR脱硝催化剂概述
氮氧化物是锅炉和内燃机排放气体中的主要有害物质之一，主要由NO和NO2组成。NOx危害极大，不仅对生物有剧毒作用，而且还会生成光化学烟雾。脱除排放气中的NOx的方法主要分为吸附法和催化法，其中吸附法主要为变温吸附（TSA）和变压吸附（PSA）法，而催化法则以选择性催化还原法（selectivecatalyticreduction，即SCR）为代表。SCR法是目前国际上应用最为广泛的烟气脱硝技术，我国的脱硝项目起步较晚，国内已经投入运行的选择性催化还原（SCR）脱硝项目大多是引进欧美、日本等发达国家的脱硝技术，SCR脱硝技术的核心催化剂，几乎全部依赖进口，成本非常高，因此如何加强具有我国自主知识产权的SCR催化剂是该行业首要解决的问题。
对于SCR工艺，其核心技术是脱硝催化剂，催化剂性能直接影响SCR系统的整体脱硝效果。SCR反应的催化剂发展主要经历了四个阶段。最早是采用Pt、Rh、Pd等贵金属作为活性组分，以CO和H2或碳氢化合物作为还原剂，其催化反应的活性温度区间较低，通常在300℃以下，现在多用于柴油机的排放控制中；后来，引入了V2O5/TiO2等在化工过程中采用的金属氧化物类催化剂，最佳活性温区多处于250～400℃，其中钛基钒类催化剂也是燃煤电站SCR系统中最常采用的催化剂；再后来发展了碳基催化剂，使烟气同时脱硫脱氮技术得以发展；近年来，对金属离子交换沸石类催化剂研究较多，其有效的活性温区较高，最高可达600℃，对NOx的催化还原和催化分解活性都很高，是研究中比较活跃的领域。
在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法(SCＲ)是脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术。SCＲ法脱硝是目前国际上火电锅炉烟气脱硝的主流技术，而催化剂是SCＲ法脱硝系统的核心技术。自1978年催化剂在日本成功地实现工业化生产以后，其工艺与生产技术一直在不断地进步与完善，逐步形成由触媒化成为代表的蜂窝式和以Babcock-Hitachi为代表的板式的两种主流结构与技术。我国四川东方锅炉工业锅炉集团有限公司于2006年率先引进德国KWH公司的催化剂生产技术，紧接着国电龙源环保工程公司和国电环境保护研究院联手引进了日本触媒化成燃煤电站蜂窝式催化剂的生产技术，但是引进国外的技术需要花费大量的资金，催化剂的核心技术依然被发达国家控制，所以如何研发出具有自主知识产权的脱硝技术成为国内解决氮氧化物大气污染问题的严重瓶颈。近几年由于我国的大气污染持续恶化，民间对大气污染的治理呼声日益迫切，我国政府对此高度重视，2009年由国家科技部立项(立项课题“新型高效SCＲ脱硝催化剂”)，委托上海瀚昱环保材料有限公司课题组研发，该公司于2012年成功通过项目组验收，成为国内首家拥有自主知识产权并完全掌握生产工艺的国内厂家，至此我国脱硝催化剂依赖国外技术的历史彻底结束。
2011年新颁布的GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》要求新建机组从2012年1月1日开始，现有机组从2014年7月1日开始执行100mg/m3的氮氧化物污染物排放限值，被称为史上最严环保标准。
2、SCR法脱硝催化剂的种类
按结构和成型工艺的不同，SCＲ法脱硝催化剂分为蜂窝式、板式和波纹式催化剂。蜂窝式催化剂以TiO2为基材，将活性物质V2O5，助活性物质WO3以及一些微量组分经混料、预挤、陈腐、挤出成型、烘干、焙烧、切割、顶端硬化等工序制作而成，因形状似“蜂窝”，称之为蜂窝式催化剂。由于活性成分在催化剂中均匀分布，即使催化剂表面有磨损，仍可保持较高的活性，所以蜂窝式催化剂在高灰和低灰的火电机组中均可应用，而且催化剂可以再生;板式催化剂指在金属网格板上浸渍催化剂活性组分，然后经干燥焙烧而成，因其以金属网格板作为担体，所以机械强度好，特别适用于燃煤高灰火电机组，但如果其表面遭到灰分等的破坏磨损后，就不能维持原有的催化性能，催化剂几乎不可能再生;波纹式催化剂指把玻璃纤维加固的TiO2基板放到催化剂的活性组分中浸泡，经高温烘干而形成的催化剂，在灰含量较低的燃油和燃气的火电机组中有较多地应用，其表面遭到灰分等的破坏磨损后，不能维持原有的催化性能，催化剂不可以再生。国内绝大部分燃煤电厂都使用蜂窝式和板式催化剂，其中蜂窝式催化剂由于具有强耐久性、高耐腐性、高可靠性、高反复利用率、低压降等特性，得到广泛应用。从目前已投入运行的催化剂来看，75%采用蜂窝式催化剂，新建机组采用蜂窝式催化剂的比例也基本相当。
3、SCR法催化剂在火电机组实际运行中的技术问题及其对策
目前火电机组脱硝装置一般都采用钒钛系催化剂，该催化剂以TiO2为载体，V2O5、WO3等金属氧化物作为主催化剂和助催化剂，这些成分占总量的99%以上，其余的微量组分，应根据锅炉燃用煤的品质添加，以使催化剂具有较高的稳定性和脱硝效率。现在燃煤锅炉所使用的催化剂都是中高温催化剂，因为该类型催化剂的最佳反应温度在350℃左右，所以要求反应器入口的烟温达到300～420℃。为了满足脱硝反应对温度的要求，通常将SCＲ脱硝反应器布置于锅炉省煤器和空气预热器之间，但该区域烟气含尘量大，粉尘和其他组分对催化剂的性能将产生不良的影响。
3.1烧结
烟温长时间在450℃以上时可引起催化剂烧结，导致催化剂中TiO2的晶形发生变化，颗粒增大、比表面积减小，导致活性降低。实际运行时，应设置高温报警保护装置;在生产工艺中加入WO3也可最大限度地减少催化剂的烧结。
3.2飞灰磨损
由飞灰撞击催化剂的表面形成。冲蚀强度与气流速度、飞灰特性、撞击角度及催化剂本身特性有关。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了有效防范飞灰冲蚀磨损，一是需在催化剂的烟气入口端进行顶端硬化处理，二是利用流体动力学流动模型优化气流分布;三是在垂直催化剂床层安装气流调节装置等方法来解决。
3.3飞灰物理堵塞
由于氨盐及飞灰小颗粒沉积在催化剂小孔中，阻碍NOx、NH3以及O2到达催化剂的活性表面，导致催化剂钝化。为了防止飞灰堵塞，除选择适当尺寸的孔径或节距的催化剂以使得烟气中的灰尘通过外，还应对每层催化剂进行定期吹灰以清理除掉沉积的灰尘颗粒，同时在SCＲ入口设置灰斗并对灰斗处的烟道进行合理地设置，进行预除灰，避免灰尘对催化剂的影响。
3.4重金属(如As、Pt、Pb等)中毒
由于烟气中的氧化砷(As2O3)扩散进入催化剂，并在催化剂的毛细孔中发生毛细凝结，或者与催化剂的活性位发生反应从而引起催化剂活性降低。因此，在催化剂地制备过程中，应采用控制催化剂孔分布的方法，使催化剂内孔分布均匀，以控制毛细孔分布数量来减少“毛细冷凝”现象。另外，可在催化剂中加入MoO3，通过MoO3与气相As2O3的反应来减少As2O3中毒。
3.5碱金属(Na、K等)中毒
如果碱金属离子(Na+、K+等)直接与催化剂接触，会使催化剂活性逐渐降低。其机理是吸附在催化剂活性位置上的碱金属离子占据了催化剂表面的酸性位，降低了催化剂的活性。因此，在催化剂设计中，应考虑碱金属对催化剂的影响，增加设计余量。
4、SCＲ法催化剂的失活及处理
催化剂的失活分为物理失活和化学失活，物理失活主要是指高温烧结、磨损、固体颗粒堵塞而引起的催化剂的活性降低;化学失活主要是碱金属(如Na、K等)、碱土金属(Ca等)和重金属(如As、Pt、Pb等)引起的催化剂中毒。催化剂失活是SCＲ烟气脱硝中必须面对的问题，对于失活的催化剂，首先考虑的处理方式是对失活催化剂进行再生处理。再生处理是把失活的催化剂通过浸泡洗涤、添加活性组分以及通过烘干程序使催化剂恢复大部分活性，再生后的催化剂可以重新加以利用。如果失活催化剂不适合采用再生的方法回收，鉴于催化剂中的V2O5和WO3(MoO3)等是微毒物质，对眼睛和呼吸系统有刺激，同时在其使用过程中，烟气中的重金属可能在催化剂内部聚集，为避免重金属对土壤和水体的污染，失效的催化剂就要作为危险固体废弃物进行专门地处理。目前对于蜂窝式SCＲ催化剂，一般的处理方法是把催化剂压碎后进行填埋，填埋过程中应严格遵循危险固体废物的填埋要求;对于板式催化剂，除填埋的方式外，由于其中含有不锈钢基材，可以送至金属冶炼厂进行回收。
5、烟气脱硝处理主要方法
5.1炉膛喷射法
炉膛喷射法实质是向炉膛喷射还原性物质，可在一定温度条件下还原已生成的NOx，从而降低NOx的排放量。包括喷水法、二次燃烧法（喷二次燃料即前述燃料分级燃烧）、喷氨法等。因此影响SNCR系统性能设计和运行的主要因素是：
（1）反应温度范围；
（2）最佳温度区的滞留时间；
（3）喷入的反应剂与烟气混合程度；
（4）处理前烟气中NOx浓度；
（5）喷入的反应剂与NOx的摩尔比；
（6）氨的逃逸量。
5.2电子束法
此法是用高能电子束（0.8～1MeV）辐射含NOx和SO2的烟气，产生的自由基氧化生成硫酸和硝酸，再与NH3发生中和反应生成氨的硫酸及硝酸盐类，从而达到净化烟气的目的。
5.3液体吸收法
此法由于烟气中的NOx90%以上是NO，而NO难溶于水，因此对NOx的湿法处理不能用简单的洗涤法。湿法脱硝的原理是用氧化剂将NO氧化成NO2，生成的NO2再用水或碱性溶液吸收，从而实现脱硝。
5.4吸附法
最主要的方法为活性炭方法。在众多烟气处理技术中，液体吸收法的脱硝效率低，净化效果差；吸附法虽然脱硝效率高，但吸附量小，设备过于庞大，再生频繁。
结束语
综上所述，火电厂SCR脱硝催化剂技术的研究进展，直接影响其技术的应用，所以我们一定要针对其技术的发展进行研究，本文总结了技术的研究进展，以及相关的研究内容，希望能够为今后的技术研究和应用提供参考。
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论文作者:曹志成1,马振宇2,邵岐3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：催化剂论文; 活性论文; 烟气论文; 技术论文; 火电厂论文; 组分论文; 机组论文; 《电力设备》2018年第27期论文;