摘要：當(dāng)前，燃煤電廠最有效的脫硝技術(shù)是選擇催化還原法(SCR)，該技術(shù)具有效率高、選擇性好、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于火電廠脫硝系統(tǒng)。本文系統(tǒng)分析了SCR脫硝過程中催化劑失活機(jī)理，并主要就對燃煤電廠失效脫硝催化劑的處理現(xiàn)狀及前景進(jìn)行分析和探討

1、SCR脫硝反應(yīng)概述

根據(jù)SCR催化劑和反應(yīng)器的布置位置不同，SCR脫硝技術(shù)可以劃分為3種工藝：高含塵工藝、低含塵工藝和尾部布置工藝。高含塵工藝的SCR催化劑和反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器后空氣預(yù)熱器前(除塵器之前)，該部分煙氣溫度在300~400℃左右，催化劑在此溫度下有足夠的活性，煙氣不需加熱即可獲得較好NOx脫除效果。目前燃煤電廠SCR工藝主要采用高含塵工藝。

低含塵工藝的SCR催化劑和反應(yīng)器布置在高溫除塵器與空氣預(yù)熱器之間(除塵器后)，該布置可防止煙氣中飛灰對催化劑的污染及對反應(yīng)器的磨損和堵塞，但是一般電除塵在300~400℃高溫下難以正常運(yùn)行，可靠性不高，一般不采用。尾部布置工藝的SCR催化劑和反應(yīng)器布置在FGD(濕式尾氣脫硫)系統(tǒng)之后，催化劑不受飛灰和三氧化硫等有害物質(zhì)的影響。但由于煙氣溫度較低，一般要將煙氣溫度加熱到催化劑所需活化溫度，增加了運(yùn)行成本。

2、催化劑的失活機(jī)理

燃煤電廠用脫硝催化劑在長期運(yùn)行過程中會出現(xiàn)不斷的失活。失活的主要原因包括：飛灰顆粒覆蓋在催化劑的表面或造成催化劑孔道堵塞；飛灰中攜帶的堿金屬、堿土金屬、磷、砷和汞等導(dǎo)致的催化劑化學(xué)中毒；在高溫和高速煙氣的沖擊下，催化劑發(fā)生熱燒結(jié)和物理磨損與活性組分流失。盡管SCR催化劑的失活機(jī)理較為復(fù)雜且隨著催化劑運(yùn)行環(huán)境不同而不同，但通過研究各種不同失活機(jī)理，并找到相應(yīng)的失活預(yù)防措施和催化劑的再生技術(shù)無疑對燃煤電廠脫硝尤為重要。

2.1表面覆蓋與催化劑孔道堵塞

煙氣中存在大量各種不同大小顆粒的飛灰，這些飛灰有的隨著氣流聚集在催化劑的表面，直接覆蓋了催化劑的有效活性表面；有的飛灰顆粒搭橋形成大的顆粒造成催化劑的宏觀孔堵塞；還有不少細(xì)微的飛灰顆?？赡苓M(jìn)入催化劑的孔道中，導(dǎo)致孔道堵塞，致使NH3和NO無法擴(kuò)散到催化劑內(nèi)部孔道中發(fā)生反應(yīng)。

2.2催化劑活性組分流失與磨損

催化劑活性組分V2O5在高溫下容易揮發(fā)，導(dǎo)致活性中心減少，引起催化劑反應(yīng)性能下降。催化劑在使用過程中，遇到積灰嚴(yán)重的場合，通常用水來沖洗催化劑床層，以降低系統(tǒng)壓降。然而釩的氧化物會溶解于水，進(jìn)而導(dǎo)致部分活性組分的流失。催化劑磨損是煙氣中飛灰與催化劑碰撞引起的，其磨損程度與煙氣流速、飛灰含量、反應(yīng)器流場分布和催化劑本身的強(qiáng)度等有關(guān)。催化劑磨損的主要部位是其迎灰面的端部。磨損對蜂窩式和波紋板式催化劑影響較大，嚴(yán)重時可觀察到催化劑整體結(jié)構(gòu)的坍塌，因此在催化劑制備過程中必需對其迎灰面端部進(jìn)行硬化處理。板式催化劑的端部被磨損后，不銹鋼基底暴露在迎灰面，可阻止煙氣的的進(jìn)一步磨損。

在高飛灰條件下，催化劑的內(nèi)表面也會出現(xiàn)一定程度的磨損，引起活性組分的流失，導(dǎo)致催化劑活性降低。催化劑內(nèi)表面的磨損程度與催化劑本身的制備方法有很大關(guān)系。通常一體成型的催化劑結(jié)構(gòu)比采用表面涂覆制備的催化劑更有利于提高催化劑的抗磨性能。

2.3催化劑高溫?zé)釤Y(jié)

受催化劑活性溫度窗口限制，目前工業(yè)上使用的釩鈦基催化劑需要在較高溫度下運(yùn)行。在脫硝反應(yīng)器入口，煙氣的溫度一般都超過400℃，當(dāng)鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)波動時，脫硝反應(yīng)器內(nèi)的溫度極有可能大幅上升。因此，燒結(jié)是大多數(shù)電廠SCR脫硝催化劑失活的重要原因之一。催化劑的燒結(jié)是一個不可逆的過程，它導(dǎo)致活性成分V2O5的顆粒長大，載體TiO2的孔道數(shù)量和比表面變小，直接減少了催化反應(yīng)活性位的數(shù)量。

3、催化劑處理方式

脫硝催化劑是SCR技術(shù)的核心部件，使用約三年后進(jìn)行更換，根據(jù)脫硝催化劑的失活原因從而對失效催化劑進(jìn)行再生處理或回收。

3.1失效催化劑的再生處理

這是將失活的催化劑通過一系列物理或化學(xué)程序，恢復(fù)其部分活性，使其能夠再次達(dá)到所需性能的一種方式。催化劑再生需要在現(xiàn)場采用專用工具進(jìn)行該一系列的操作，通常的程序包括應(yīng)用嚴(yán)格的物理方法去除沉淀粉塵，再采用化學(xué)解決方案對失活催化劑進(jìn)行再生，可將失活催化劑的化學(xué)活性恢復(fù)。再生后催化劑的脫硝活性可以恢復(fù)新催化劑的90%；磨損強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度分別可達(dá)新催化劑的87.95%和88.90%；SO2氧化率等性能指標(biāo)可以與新催化劑接近，再生后催化劑的SO2/SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，再生后催化劑的機(jī)械壽命應(yīng)大于5年，化學(xué)壽命應(yīng)大于1.6萬小時。在實(shí)際的處理過程中，通常需要先對失效催化劑的失活原因進(jìn)行取樣分析，再制定具體的再生程序。因此，這些工作需要具有專利技術(shù)的國外專業(yè)公司進(jìn)行操作，才能在不損傷催化劑的前提下恢復(fù)一定的活性。而再生的效果亦取決于催化劑的失活原因，物理原因例如堵塞，再生的效果要好一些，化學(xué)原因則需要看催化劑的變質(zhì)是否屬于不可逆轉(zhuǎn)的機(jī)理，以及可恢復(fù)活性的程度。催化劑再生的成本則取決于再生程序的復(fù)雜程度，復(fù)雜的再生程序成本有時會高于替換同體積的全新催化劑，因此在采用該種方式處理實(shí)效催化劑時，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)與遠(yuǎn)期運(yùn)行的效果。

3.2失效催化劑的回收處理

失效催化劑的常用回收方法可分為間接回收法和直接回收法。其中直接回收法又可分為分離法和不分離法，間接回收法可分為干法、濕法和干濕結(jié)合法。受到各種因素的制約，以及回收效益的影響，一般失效催化劑的回收方法多采用間接回收法。間接回收法主要分為：

(1)干法回收工藝

干法回收是用固體堿與廢催化劑混合，在空氣中灼燒熔融，使其中的V2O5轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘拟C酸鹽。加水溶解K3VO4，分離TiO2和K3VO4，將溶液煮沸，釩酸鹽水解析出V2O5。干法提釩一般燃料及堿消耗量大，回收釩成本高。同時，由于廢催化劑中SiO2，Al2O3等雜質(zhì)元素焙燒時，釩轉(zhuǎn)化為不溶于水的含釩硅酸鹽，釩氧化物從水浸出率降低，詳細(xì)工藝需進(jìn)一步研究。

(2)濕法回收工藝

催化劑經(jīng)使用后，其中的釩主要以V2O5和VOSO4形式存在，后者所占比例有時可達(dá)40%~60%。催化劑中低價含釩鹽易溶于酸而難溶于堿，而V2O5易溶于堿難溶于酸，因而可用酸液或堿液浸取，一些研究大都用酸浸取。濕法回收催化劑成分的工藝為一般可分為：沉淀法、萃取法和離子交換法等物理化學(xué)方法。沉淀法主要是在一些介質(zhì)中釩酸、鎢酸和鉬酸的溶解度不同，可以通過溫度的升高，來實(shí)現(xiàn)釩鎢鉬的分離；萃取法主要通過萃取劑實(shí)現(xiàn)釩鎢鉬的可溶性鹽溶液的分離；離子交換法是通過鎢鉬酸根在離子交換樹脂吸附的差異，從而對鎢鉬進(jìn)行分離。廢棄脫硝催化劑再生與回收技術(shù)是具有創(chuàng)新性和巨大的市場應(yīng)用前景的技術(shù)，該項技術(shù)也成為各催化劑生產(chǎn)廠的研究熱點(diǎn)。