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1.中国华电工程(集团)有限公司北京
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[摘要]火电厂燃煤过程排放的氮氧化物是我国大气污染的主要来源之一，选择性催化还原脱硝技术是减少NOx排放行之有效的办法，是燃煤电站锅炉烟气脱硝的主流工艺，而催化剂则是该工艺的核心。本文介绍了SCR脱硝的基本原理，概述了SCR脱硝催化剂的种类和性能，介绍了影响SCR催化剂性能的主要因素及对策。
[关键词]氮氧化物；烟气脱硝；选择性催化还原法；催化剂
1、SCR烟气脱硝基本原理
氮氧化物（NOx）选择性催化还原过程是在催化剂的作用下，通过加氨（NH3）可以把NOx转化成空气中天然含有的氮气（N2）和水，由于NH3可以“选择性的”和NOx反应而不是被氧气（O2）氧化，因此该反应被称为具有“选择性”，其工艺流程见图1。该技术具有脱硝效率高，成熟可靠，应用广泛，经济合理，适应性强等特点，特别适合于煤质多变、机组负荷变动频繁以及对空气质量要求较敏感的区域的新建燃煤机组上使用。
图1SCR烟气脱硝系统工艺流程简图
2、影响SCR催化剂性能的主要因素及对策
1）催化剂的烧结：作为市场主流的钛基催化剂，若长时间暴露于450℃以上的高温环境中，可引起催化剂活性位置的烧结，微晶聚集，导致催化剂颗粒增大、表面积减小，降低催化剂活性。因此，在钛基钒类商用催化剂生产中加入钨会最大限度地减少催化剂的烧结，不同钨含量所允许的最高运行温度是不同的，SCR反应器在正常运行温度工作时，烧结现象可以忽略。因此，SCR反应器的运行温度必须严格控制在在规定温度范围内。
2）催化剂堵塞：催化剂的堵塞主要是由于脱硝过程中产生的铵盐及飞灰的小颗粒沉积在催化剂小孔中，阻碍NOx、NH3、O2到达催化剂活性表面，引起催化剂钝化，使得催化剂表面活性位逐渐丧失，导致催化剂失活。为减少飞灰堵塞对催化剂的影响，建议采取以下措施：（1）设置预除尘装置、省煤器灰斗和除灰格栅；（2）定期吹灰，降低飞灰在催化剂表面的沉积；（3）合适的烟气均布措施；（4）合理进行催化剂选型。如防止蜂窝状催化剂堵塞应选用合适的催化剂节距和蜂窝尺寸；（5）优化工艺计算，选择合适的催化剂量，增加催化剂的体积和表面积。
3）催化剂磨损：催化剂磨损主要是由飞灰对催化剂表面的冲击引起的。催化剂的磨损是气速、飞灰特性、冲击角度及催化剂特性的函数，因此高的烟气流速和颗粒物浓度会加速这种磨损。此外，SCR系统中吹灰器的运行也会产生明显的磨损现象。防止催化剂磨损采取的措施有：合理设计催化剂；优化烟气速度；减少烟气中磨损性较强的大颗粒飞灰。
在催化剂设计方面主要采取的措施有：（1）顶端硬化。增加蜂窝式催化剂端部的硬度，以降低迎灰面的磨损。（2）增厚。增加整体催化剂的壁厚，提高磨损裕量，以延长催化剂的机械寿命。（3）使用均质催化剂结构，降低高灰情况下催化剂迎灰面以及内壁磨蚀程度。
4）碱金属中毒：碱金属离子（Na+、K+等）通过与催化剂接触，吸附在催化剂活性位置上的碱金属离子将会占据催化剂表面酸性位，主要是造成催化剂中V-OH的氢键被替换，引起催化剂的酸性下降，从而使催化剂失活。在催化剂设计中，应充分考虑碱金属对催化剂的影响，增加设计余量。
5）钙的影响：飞灰中的CaO与SO3反应，在催化剂表面形成一层CaSO4，并覆盖住催化剂的活性位，阻止反应物扩散进入催化剂进行脱硝反应。为降低飞灰中Ca对脱硝催化剂活性的影响，可以通过控制催化剂内部孔径分布和采用适当节距等方法来减少CaSO4对催化剂的影响。
6）砷的影响：当烟气中含有气态As2O3时，As2O3扩散进入催化剂内部孔道中，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。通过改变催化剂的微孔结构和微孔分布可以有效地预防砷中毒。此外，在催化剂中加入MoO3，MoO3与气相As2O3反应，可以减少脱硝催化剂的As中毒。
7）SO2/SO3转化率：通过在催化剂中增加氧化钒的比例可以有效提高催化剂的脱硝活性，但同时也氧化钒的增加，提高了SO2向SO3的转化量，从而增加了烟气中SO3的浓度。温度对SO2向SO3的转化有很大的作用，即使在低氧化钒含量甚至无氧化钒含量的催化剂中，仍然有部分SO2转化成SO3。温度较低时，烟气中SO3与NH3反应产生硫酸铵和硫酸氢铵。硫酸铵和硫酸氢铵是细小的黏性颗粒，硫酸铵为白色固体；硫酸氢铵在160～220℃时为黏性固体，在烟气温度过低时，易凝结吸附在催化剂表面和空气预热器上，继而沉积造成催化剂的堵塞，使催化剂失活。另外，硫酸氢铵具有腐蚀性，会造成空气预热器的腐蚀。
3、脱硝催化剂应用现状
3.1我国SCR脱硝催化剂市场产量及预测情况
据统计，2012年我国SCR脱硝催化剂行业产量约6.3万m3，2013年达到了12.5万m3，近几年我国SCR脱硝催化剂行业产量情况如图2所示：
图2.2007-2013年我国SCR脱硝催化剂市场产量情况
根据相关数据显示，2013年底我国火电装机容量已达到8.6亿千瓦，其中已经安装脱硝装置的约2.26亿千瓦，已建设SCR脱硝装置的机组共计433台214512.9MW。随着时间的推移，由于催化剂的添加和更换以及新建机组的需求，催化剂的需求量还会有进一步的增长；之后随着老机组的改造完成，新建机组不断减少，初装催化剂量骤减，造成催化剂需求量大幅下降，从2021年后稳定在每年3.5～5.9万m3。
3.2国内催化剂发展趋势
目前，国内自主研发技术尚不成熟，面临很多方面的问题，结果国内催化剂开发和研究进展情况，确认SCR脱硝催化剂未来的发展方向：○1提高催化剂使用寿命，节约同周期内成本；○2加速环保型催化剂的研发，设计新型非钒基催化剂；○3加快烟气脱硝示范工程的建设，广泛开展国际合作，在引进消化国外烟气脱硝技术的基础上，尽快实现烟气脱硝国产化；○4加快研究和开发新型的催化剂再生技术，通过再生技术降低废旧催化剂引发的二次污染，且能够降低生产成本、节省资源。
结语
目前，我国烟气脱硝技术的研究正处于起步阶段，在工业应用上还存在理论研究不成熟，运行管理不完善等方面的问题。作为脱硝技术核心的催化剂，因未能够掌握核心技术，在一定程度上限制和阻碍了脱硝技术的不断完善和发展，对我国的环保事业快速发展产生了不利的影响。因此，积极开发具有我国自主知识产权的选择性催化还原法脱硝催化剂及工艺，对推进我国脱硝技术的进展，节省投资和运行费用具有重要的经济、社会和环境效益。
参考文献
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