對(duì)某燃煤電廠的脫硝催化劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室活性研究，并采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope , SEM)、X射線衍射儀(X-ray diffractometer，XRD)、X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence，XRF)等方法對(duì)新、舊催化劑進(jìn)行表征。研究發(fā)現(xiàn)，舊催化劑的脫硝性能明顯低于新催化劑;在微觀結(jié)構(gòu)上，舊催化劑的表面孔隙率也明顯低于新催化劑，但催化劑未出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象。此外，與新催化劑相比，舊催化劑中活性物質(zhì)含量明顯減少，有毒物質(zhì)含量增加，說明催化劑失活主要由活性物質(zhì)損失和有毒物質(zhì)沉積引起。

1 前言

由燃煤產(chǎn)生的氮氧化物(NO、NO2和N2O)是當(dāng)今環(huán)境污染的重要來源之一，這些氮氧化物能夠?qū)е鹿饣瘜W(xué)煙霧、酸雨、臭氧層損耗、溫室效應(yīng)等一系列問題[1]。為了適應(yīng)越來越嚴(yán)格的排放要求，國內(nèi)外電廠已陸續(xù)開始安裝使用脫硝裝置。而在眾多脫硝方法中，選擇性催化還原(ive catalytic reduction，SCR)脫硝裝置以其成熟的技術(shù)工藝和穩(wěn)定的脫硝效率得到了廣泛應(yīng)用[2]。

在SCR脫硝系統(tǒng)中，脫硝催化劑是其核心部件，而且，催化劑的成本很高，約占SCR 系統(tǒng)總成本的20%～40%，催化劑的性能直接影響著NOx的脫除效果[3]。受催化劑反應(yīng)條件限制，SCR脫硝裝置大多布置在鍋爐省煤器與空預(yù)器之間的高塵段煙道，這使催化劑易受飛灰的磨損和堵塞，為保持脫硝系統(tǒng)仍有較高脫硝性能，必須定期更換催化劑，因而進(jìn)一步增大了運(yùn)行成本[4]?？梢?，如何確保催化劑保持良好狀態(tài)，保證催化劑在壽命周期內(nèi)維持其性能，甚至適當(dāng)延長催化劑的使用壽命，對(duì)降低整個(gè)脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本具有重要意義。

本文通過對(duì)某600MW燃煤鍋爐投運(yùn)后的SCR脫硝催化劑進(jìn)行性能研究，并與新催化劑進(jìn)行對(duì)比，分析舊催化劑活性降低程度，以及探討舊催化劑失活原因，為催化劑的失活和再生研究提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)部分

2.1試驗(yàn)催化劑的電廠簡介

試驗(yàn)催化劑樣品來自某600MW燃煤鍋爐，該鍋爐配置有兩臺(tái)SCR 反應(yīng)器。其煙氣SCR 脫硝系統(tǒng)包括省煤器旁路、出口煙道、SCR 煙道及所有內(nèi)部件、SCR 反應(yīng)器等。煙氣從鍋爐尾部省煤器煙道進(jìn)入SCR 系統(tǒng)煙道，經(jīng)90°彎頭后垂直向上流經(jīng)噴氨格柵，與氨混合后再經(jīng)90°彎頭水平進(jìn)入SCR 反應(yīng)器前室，在反應(yīng)器前室經(jīng)過導(dǎo)流板轉(zhuǎn)向進(jìn)入整流格柵，然后垂直流經(jīng)各層催化劑進(jìn)行煙氣脫硝;脫除了NOx 的煙氣經(jīng)反應(yīng)器出口煙道進(jìn)入空預(yù)器。

該脫硝裝置起始設(shè)計(jì)性能保證值見表1。

2.2試驗(yàn)簡介

本次試驗(yàn)中，舊催化劑取樣的鍋爐共裝有兩臺(tái)SCR反應(yīng)器，每臺(tái)SCR反應(yīng)器各裝有兩層催化劑，催化劑采用以玻璃纖維為基材的波紋板式催化劑，使用年限已達(dá)5年。所測試的舊催化劑取自B側(cè)反應(yīng)器下層，并按煙氣流動(dòng)方向，將舊催化劑分成迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩部分分別進(jìn)行測試。作為對(duì)比，試驗(yàn)中還對(duì)未使用過的新催化劑進(jìn)行測試和表征。

所使用活性測試裝置為自制的催化劑活性評(píng)價(jià)系統(tǒng)(見圖1)。測試內(nèi)容包括新、舊催化劑的NO脫除率和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率，測試方法為：先將預(yù)先切割好并吹掃過表面浮灰的催化劑放入活性評(píng)價(jià)裝置中，對(duì)裝置升溫加熱并通入模擬煙氣，當(dāng)反應(yīng)穩(wěn)定后，開始進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)記錄和取樣，并通過多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出平均值。同時(shí)，采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope ,SEM)(Japan HITACHI, S3700)、X射線衍射儀(X-ray diffractometer，XRD)(Germany Bruker，D8 ADVANCE)、X射線熒光光譜儀(X-ray fluorescence，XRF)(Holand PANalytical，Axios PW4400)對(duì)催化劑進(jìn)行表征分析，確定催化劑投運(yùn)后的失活原因?；钚詼y試試驗(yàn)條件如下：

催化劑尺寸：50×50×200mm

NH3/NO摩爾比：1.05:1

NO含量：300×10-6

SO2含量：500×10-6

H2O含量：10%

O2含量：5%

反應(yīng)溫度：360℃±5℃

3 結(jié)果與討論

3.1活性試驗(yàn)結(jié)果與討論

催化劑活性測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，一方面，新催化劑的脫硝性能和SO2/SO3轉(zhuǎn)化率明顯高于舊催化劑，說明催化劑投運(yùn)后確實(shí)存在失活現(xiàn)象;另一方面，背風(fēng)面的催化劑活性也高于迎風(fēng)面，這主要可能是由于迎風(fēng)面的催化劑磨損相對(duì)嚴(yán)重，導(dǎo)致活性成分損失較多，而且有毒物質(zhì)在迎風(fēng)面的沉積量較多引起。

3.2 SEM表征結(jié)果與討論

圖2為新、舊催化劑在放大10000倍下的SEM譜圖。從圖中可以看出，新催化劑的顆粒分布均勻、孔隙明顯，而舊催化劑表面覆蓋有大量微小物質(zhì)，孔隙數(shù)量大大降低，說明飛灰和有毒物質(zhì)在催化劑表面沉積是催化劑表面孔隙減少的主要原因。

(a)新催化劑;(b)迎風(fēng)面;(c)背風(fēng)面

3.3 XRD表征結(jié)果與討論

新催化劑和舊催化劑的XRD 譜圖見圖3。從圖中可以看出，新催化劑和舊催化劑的TiO2晶型都保持了銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，未出現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，說明催化劑未出現(xiàn)燒結(jié)。同時(shí)，與新催化劑相比，兩個(gè)舊催化劑的譜圖上均出現(xiàn)了SiO2的衍射峰，這主要是由于舊催化劑表面活性成分磨損使基材裸露和表面積灰的共同作用引起。此外，舊催化劑的譜圖上未觀察到其他物質(zhì)的衍射峰，說明舊催化劑表面上的雜質(zhì)分散較均勻。

3.4 XRF表征結(jié)果與討論

新、舊催化劑的XRF 分析結(jié)果見表3。從表中可以看到，舊催化劑與新催化劑相比，TiO2、V2O5 和WO3等活性成分含量都有所下降，而有毒元素K、Na、Mg、Al、Ca、S、Si、Fe等含量都有所增加，且迎風(fēng)面活性成分中的V2O5 和WO3含量低于背風(fēng)面，迎風(fēng)面各有毒元素的含量也相應(yīng)高于背風(fēng)面。因此，活性組分的流失及有毒物質(zhì)沉積的影響是催化劑失活的主要原因。

4 結(jié)論

對(duì)某燃煤電廠的波紋板狀脫硝催化劑進(jìn)行了性能研究?；钚詼y試結(jié)果表明，舊催化劑的活性明顯低于新催化劑，且背風(fēng)面的催化劑活性高于迎風(fēng)面，說明催化劑投運(yùn)后存在失活現(xiàn)象;SEM分析結(jié)果表明，舊催化劑表面覆蓋有大量微小物質(zhì)，孔隙數(shù)量明顯低于新催化劑;XRD表征發(fā)現(xiàn)，新、舊催化劑的TiO2晶型都以銳鈦礦相存在，未出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象，但舊催化劑因表面活性成分磨損使基材裸露和表面積灰的共同作用使譜圖上出現(xiàn)了SiO2的衍射峰;XRF分析發(fā)現(xiàn)，舊催化劑中活性成分TiO2、V2O5 和WO3的含量有所下降，而有毒元素K、Na、Mg、Al、Ca、S、Si、Fe等含量都有所增加，且迎風(fēng)面活性成分中的V2O5 和WO3含量低于背風(fēng)面，迎風(fēng)面各有毒元素的含量也相應(yīng)高于背風(fēng)面。以上結(jié)果均表明，活性組分的流失及有毒物質(zhì)沉積的影響是催化劑失活的主要原因。