SCR脱硝催化剂抗砷中毒改性优化与再生研究进展

穆世泉

华电青岛环保技术有限公司 山东青岛 266109

现有SCR脱硝催化剂的研究进展，较为全面地分析了SCR脱硝催化剂的砷中毒机理，总结了催化剂抗砷中毒优化改性方式以及中毒催化剂的再生技术，并对未来抗砷中毒SCR脱硝催化剂的发展趋势进行了简要讨论。

1 催化剂砷中毒机理

1.1 砷的迁移机理

一般而言，砷在燃煤中主要以砷硫铁矿的形式存在，少部分为有机砷。煤在燃烧的过程中，砷硫铁矿在高温下被氧化并以气态 As2O3形式释放到烟气中，同时部分 As2O3会被进一步氧化形成 As2O5。

1.2 催化剂砷中毒机理

当气态 As2O3随烟气流经 SCR 脱硝系统时，其会在催化剂表面冷凝、沉积，引起催化剂中毒失活，降低催化剂脱硝反应活性。目前，普遍认可的 SCR 催化剂砷中毒机理主要包括以下两个方面：一是物理失活，即砷氧化物在催化剂表面形成致密层堵塞催化剂孔道，导致物理作用下的失活；另一方面是化学失活，即烟气中砷与催化剂活性物质存在互相作用，破坏催化剂表面酸位点，削弱催化剂氧化还原能力，导致催化剂化学中毒失活。①物理失活 SCR 催化剂的砷中毒物理失活主要是由于砷氧化物在催化剂表面沉积、氧化、覆盖、堵塞孔道所致。

对某燃煤电厂新鲜的、运行三个月、运行三年的催化剂进行了对比测试，结果表明运行三个月的催化剂比表面积从66.62m2/g 降低至56.04m2/g，其钒物种形态与新鲜催化剂没有明显区别，由此证实运行三个月的催化剂失活主要由物理堵塞所致；而运行三年的催化剂中砷含量与运行三个月的催化剂中砷含量接近，但相较于后者，前者中砷与 V2O5存在明显相互作用，钒物种形态发生改变，由此证实运行三年的催化剂失活是由物理堵塞和化学中毒失活综合所致。通过对某高砷煤电厂板式SCR 脱硝系统的首层和中层的砷中毒催化剂进行表征测试，发现不同床层的催化剂砷中毒机制同样存在差异，首层催化剂中砷的形态主要为 As2O5，其失活主要是由物理堵塞及 As2O5致密层覆盖活性位点所致；而中层催化剂中砷元素特征峰相较首层出现偏移，说明其失活主要和砷与催化剂活性位发生化学反应有关。

2 催化剂抗砷中毒措施

SCR 催化剂砷中毒后，催化活性减弱，脱硝效率大幅降低，如何提高催化剂的抗砷中毒能力、延长催化剂在高砷烟气中的使用寿命，一直是 SCR 催化剂研究的重点。结合前述砷物种作用下催化剂物理与化学失活机理分析可知，提高 SCR 脱硝催化剂抗砷性能，可从催化剂本身物化性质改性以及烟气侧加入砷氧化物吸附添加剂两方面采取相应措施。

2.1 抗砷中毒催化剂

2.1.1 催化剂孔隙结构调整催化剂

容纳有毒物质且不受其影响的能力与催化剂的孔隙率及孔结构密切相关。Haldor Topsoe 公司通过对催化剂的生产工艺进行优化，制备出具有3种孔结构的 DNX 催化剂，其中，微孔和中孔由陶瓷催化剂载体 TiO2颗粒形成，大孔是在生产催化剂时通过热处理工艺形成。

2.1.2 化学配方优化

除改善催化剂的物理结构外，优化催化剂的化学配方也可提高催化剂抗砷中毒能力，其具体思路为：通过调整催化剂活性组分，优选活性助剂，抑制砷对催化剂的破坏效果，在此基础上，还可协同添加抗砷助剂，从而保护催化剂活性组分、增加催化剂酸位点数量，以提高催化剂的耐砷性能。

2.2 钙基砷氧化物吸附添加剂

为了降低催化剂砷中毒的可能，除改善催化剂抗砷中毒性能外，还可通过烟气侧对气态砷氧化物进行吸附、固化，以减轻砷物质对催化剂的毒害作用，其中钙基吸附剂被认为是一种有效的砷氧化物吸附固化添加剂。

3 结语

目前，我国的能源结构依然以化石能源为主，化石燃料燃烧排放出大量的氮氧化物（NOx），对环境安全和人类生活造成巨大威胁。近年来，国家对 NOx的排放要求日趋严格，随着GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的实施，燃煤发电机组已经普遍进行脱硝改造。目前，主流燃煤发电机组脱硝技术主要包括燃烧前燃料脱硝、燃烧中改进燃烧方式脱硝以及燃烧后烟气脱硝三种。在燃烧后烟气脱硝技术中，选择性催化还原脱硝技术凭借脱硝效率高、选择性好、运行稳定可靠等优点，成为应用最广泛、技术最成熟、效率最高的烟气脱硝技术。催化剂是 SCR 脱硝技术的核心，催化剂的性能直接影响 SCR 脱硝系统的运行效率。在实际运行过程中，催化剂的脱硝性能和使用寿命受烟气成分、飞灰冲刷磨损、催化剂孔道堵塞、化学中毒失活等综合影响。其中，重金属中毒是导致催化剂失活、脱硝性能下降的重要原因之一。