以某（mǒu）660MW火力發電供熱機組選擇性催化還原（yuán）法（SCR）反應器為研究對象, 分析催化劑反映機（jī）理，失活的原因，從設計、生產及運行三方麵提出預（yù）防失活的措施，為防（fáng）控（kòng）和應對催化劑失效提（tí）供參考。

一、某項目脫硝方案

某工程脫硝裝置采（cǎi）用選擇性催化還（hái）原法（SCR）脫硝（xiāo）技術,每台機組裝設2台脫硝反應器（qì），布置在省（shěng）煤器之後、空預（yù）器之前（qián）的空間內（爐後）。脫硝（xiāo）裝置入口（kǒu）采用垂直長煙道布置，噴氨柵格布置在入口垂直煙道內（nèi），催化劑安放在反應器的箱體內。該工藝具（jù）有NOx脫除效率高、二次汙染小的特點。

采用蜂窩催化劑，2層運行1層備用。每個反應器每層布置模塊數為10X8塊，共2層。每台爐共布置320個催化劑模塊，催化劑模塊放在反應器內部的支撐梁上。每個模塊的橫截麵約為1910mmX970mm。

脫硝催化劑壽命：從首次注氨開（kāi）始到（dào）更換或加裝新的催化劑之前（qián），運行小時數作為化學壽命被保證（NOx脫（tuō）除率不低於85%，氨的逃逸率不高於2.5ppm)不低於（yú）24,000小時。脫硝設備年利用（yòng）小時按6500小時考慮，運行小時按8000小時考慮。

在BMCR工況（kuàng），設（shè）計煤種，SCR裝置能接受的進口煙氣粉（fěn）塵（chén）*大值為46.82g/Nm3,能接受的（de）進口NOx的（de）*大值330mg/Nm3(標態，幹基，6%O2)。脫硝係統停止噴氨的*低煙溫310℃。

為保證催化劑的脫硝效果，在（zài）脫硝反應器（qì）上設有聲波吹灰器。每個反應器設有二層吹灰器，備用層吹灰器不供貨。

脫硝反應（yīng）器（qì）是脫硝裝置的本體，采用（yòng）排氣從上向下流的氣體縱流型，由整流層和使（shǐ）脫（tuō）硝反應進行的催化劑層構成。

SCR反應器（qì）為2個寬（kuān）17.48米、深11.91米、高16.05米的殼體。內部（bù）布置有導流板、整流柵格、桁架、催（cuī）化劑（2層運行（háng），1層備用）、催化劑支撐梁、加強筋、起吊導軌、吹灰器等（děng）裝置。催化劑單元垂直布置，煙氣由上向下流動（dòng）。SCR反應器區域允許的煙氣流速範圍為4.5m/s～5.5m/s。

在催化劑模塊之間以及催化劑模塊與反（fǎn）應（yīng）器殼（ké）體之間的間隙內設有密封裝置，防止煙氣短路（lù），提高脫硝效率。

二、SCR法脫硝原理及（jí）特點

選擇（zé）性催化還原法（Selective Catalytic Reduc-tion，SCR）是指在催化（huà）劑的作用下，利用還原劑（NH3）“有（yǒu）選擇性”地與煙（yān）氣中的NOx反應並生（shēng）成無毒無汙染的N2和H2O。在SCR法脫（tuō）硝（xiāo）過程中（zhōng），主要的化學反（fǎn）應如（rú）下：

（1）4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

（2）6NO+4NH3→5N2+6H2O

（3）6NO2+8NH3→7N2+12H2O

（4）2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

反應式（1）為主要化學反應。溫度低於（yú）800℃時，反應速度很慢，此時（shí）需（xū）要（yào）添加催化劑。脫硝催化劑（jì）是SCR煙氣脫硝工藝的核心技術，其（qí）成本通常占脫硝裝置總投資的30%～50%。商業SCR催化劑活性組分為V2O5，載體為銳鈦礦型的TiO2，WO3或MoO3作為助催劑。

SCR催（cuī）化劑成分及比例，根據（jù）煙（yān）氣中成分含量（liàng）以及（jí）脫硝性能保證值的不同而不同。表中列出了典型催化劑的成（chéng）分及比例。

活性組分是多元催化劑的主體，是（shì）必備的組分（fèn），沒有它就缺乏所需的催化（huà）作（zuò）用。助催化劑本身沒有活性或活性很（hěn）小，但卻（què）能顯著地改善催化劑性能。研究發現WO3與MoO3均可提高催化劑的熱穩定性，防止燒結造（zào）成比表麵積減小，並能（néng）改善V2O5與TiO2之間的電子作用，提高催化劑的活性、選擇性和（hé）機械強度。除此以外，WO3可以抑製氧化（huà）率，MoO3還可以增強催化（huà）劑的抗As2O3中毒能力。

載體主要（yào）起到支撐、分散、穩定催化活性物質（zhì）的作用，同（tóng）時TiO2本身也有微弱的催化能力。選用銳鈦礦型的TiO2作為（wéi）SCR催化劑（jì）的（de）載（zǎi）體，與其他氧化物(如Al2O3、ZrO2)載體相比，TiO2抑製SO2氧化（huà）的能力強，能（néng）很好的分散表麵的釩物種和TiO2的半導體本（běn）質。

三、催化劑的失效影（yǐng）響因素

脫硝催化劑在運行中由於發生燒結、磨損（sǔn）、堵塞和中（zhōng）毒等原因會（huì）造成催（cuī）化劑活性的逐漸的下降，會導致催化劑的出口NOx濃度和氨逃逸上升。當（dāng）出口值不能滿足性能保證值時，就需要添加或更換催化劑。脫硝催化劑抵抗活性下降能力的強弱對於延長催化劑使用壽命、降低脫硝（xiāo）催（cuī）化劑的運行成（chéng）本具有重要意義。

催化劑（jì）的（de）失活可分為物理失活和化學失活。典型的SCR催化劑物（wù）理失活主要是指高溫燒結、磨損、堵塞而引起的催化劑活性破壞，化學失活主要是堿金屬（shǔ）、堿土金屬和As等引起的催化劑中毒。

四、影響因素（sù）的具體分析

1、催化劑的燒結 以鈦基催化劑為例，長時間暴露在450℃以上的高溫環境中，可（kě）引起催化劑活性表麵的微（wēi）晶聚集，導致催化劑顆粒（lì）增大、表麵積減小，使催化劑活性（xìng）降低，如圖所（suǒ）示。

啟動階（jiē）段如果有較（jiào）多殘碳或者殘油在催化劑表麵上累（lèi）積，在適當的氧濃度和溫度條件下就會引起催（cuī）化劑（jì）的（de）著火（huǒ），由於短時間內釋（shì）放大量的（de）熱量，會造成催化劑的燒結，導致催化（huà）劑完全失活。

2、催化劑的磨（mó）損 磨（mó）損主要是由飛灰對催化劑（jì）表麵的衝刷引起的。

長時間（jiān）的運行（háng）過程（chéng）中，飛灰對催化劑的衝刷會引起催化劑表麵活性物質的流失，造成催化劑活性的下降；會造成催化劑變薄，機械強度下降；出現（xiàn）磨損的孔道在流經煙氣時，流動阻力和壓降都會減小，相比之下會有更多的煙氣流過，從而進（jìn）一步加劇這種磨損（sǔn）效果（guǒ），且（qiě）磨損一般從頂部（bù）開始。

除了飛灰的衝刷，SCR係統中如果吹灰方式不當，吹灰衝量過大，長時間使用後也可能造成催（cuī）化劑的磨損。

根據文獻（xiàn）研究發現飛灰對單位質量催化劑磨損存在以下（xià）關係：

催化劑的磨損強度是氣（qì）流速度（dù）、飛灰特性、衝擊角度及催化劑（jì）特性的函（hán）數，磨損速率與飛灰（huī）的速度呈立方關係（xì），在（zài）速度（dù）增大時，磨損速率（lǜ）將急劇（jù）增大，因此高的煙氣流速和顆粒物濃度會加速（sù）這種磨損。磨損速（sù）率與材料的硬度成反比。

3、堵塞 包括催化劑孔道的（de）堵塞、催化劑表麵（miàn）覆蓋和微孔堵塞。

3.1 孔道堵（dǔ）塞

催化劑的孔道堵塞主要是由於大顆粒飛灰或者沉積飛（fēi）灰吸附架橋造成孔道的堵塞，由於孔道的堵塞，煙氣中的反應物（wù）質無（wú）法進一步進入催化（huà）劑孔道的內表麵，造成（chéng）活（huó）性下降。同時造成局部煙氣流速過快，停留時間不（bú）足引起壓降上升、磨（mó）損加劇。

3.2 微孔堵塞

催化劑微孔堵（dǔ）塞主要分為飛灰微細顆粒堵（dǔ）塞和硫酸（suān）氫銨（ABS）堵塞。

飛灰微細（xì）顆粒的堵塞是指在催化劑的正常運行中，飛（fēi）灰中的微細顆粒會（huì）緩慢通（tōng）過催化劑表麵滲入微孔中造成催化（huà）劑微孔的堵塞。

在運行中需要考慮更多的是硫酸氫銨（ABS）的堵塞（sāi）。在低（dī）負荷（hé）運行時，特（tè）別（bié）是低於*低噴氨溫度（dù）時，噴入的氨氣會與（yǔ）SO3反應生成硫酸（suān）氫銨。如果硫（liú）酸氫銨長（zhǎng）時間保持在催化劑內（nèi）部，硫酸氫銨具（jù）有弱堿性，會與催（cuī）化劑中的活性（xìng）組分V2O5作用發生酸堿反應，導致活性下降。硫酸氫銨的另一效應（yīng）是為高粘度的物質，催化劑表麵的硫酸氫銨會（huì）加速粉塵在催（cuī）化劑表麵形成板（bǎn）結性的結構覆蓋催化劑表麵，導（dǎo）致催（cuī）化劑活性的下（xià）降。

3.3 表（biǎo）麵（miàn）堵塞

催化劑表（biǎo）麵覆蓋是由於CaSO4等水泥性的物質在催化劑表麵形成堅硬的致密的物質，阻礙NOx、NH3、O2到達催化劑活（huó）性表麵發生（shēng）作用，導致（zhì）催化劑鈍化，使得實際作用的催化劑外表麵減少，造成活（huó）性下降。

在目前催化劑的運行中，催化（huà）劑（jì）高CaO中毒是催（cuī）化劑外表（biǎo）麵（miàn）覆蓋造成活性（xìng）下降的主要原因。

4、 化學中毒

煙氣中的成分，特別是粉塵中的堿金屬（K、Na）、堿（jiǎn）土金屬（CaO和MgO等）和P2O5和煙氣中的As2O3蒸（zhēng）汽等都會使（shǐ）得催化劑活性下降（jiàng）。

4.1 堿金屬中毒

粉塵中的K和（hé）Na等堿金屬會與活性位V2O5發生類似（sì）於（yú）酸堿中和反應，使得催化劑（jì）活性位喪失，活性下降。

在正常運行情況下，催化劑保持幹燥狀態，為固固（gù）反應速度緩慢，堿金屬中毒不明（míng）顯。這種類（lèi）型的催化劑失活的速度主要（yào）取（qǔ）決於催（cuī）化劑表（biǎo）麵的堿金屬的表麵濃度，而堿金屬的表麵（miàn）濃度主要取決於飛（fēi）灰在催化劑表麵的沉積速度、停留時間和沉積量。

當催化劑表麵有液體水生成時，需要重點考慮催化（huà）劑的堿金（jīn）屬中毒（dú）。因為堿（jiǎn）金屬會在水中溶解（jiě），加速向催化劑內部擴（kuò）散，並與活性（xìng）位發生反（fǎn）應，導致催化劑活性位快（kuài）速喪失。在有液體水生成的情況下，催化劑的堿金屬失活效應要大得多。

4.2 堿土金屬中毒

堿土金屬的中毒主要（yào）發生在飛灰上自由的CaO與吸附在催化（huà）劑表麵的SO3反應生成CaSO4。CaSO4會引起（qǐ）催化（huà）劑表麵被掩蔽（bì），同表麵堵塞（sāi），導致活性下降。在高CaO燃煤煙氣條件下，CaO中毒必須要加以考慮。

4.3 As2O3中毒

燃煤中（zhōng）的As在燃燒後生成As2O3，As2O3擴散到催化劑內部，與（yǔ）催化劑中的V2O5反（fǎn）應生成一種無活性（xìng）的（de）化合物。在催化劑中聚集、沉積並堵（dǔ）塞催化劑的中孔，即孔徑在0.1μm到1μm之間（jiān）的孔，所以會導致很快失活。

五、預（yù）防（fáng）措（cuò）施

綜合分析催化劑物理失活與化學失活因素，全過程（chéng）進行（háng）控製，從以下幾點進行預防。

1、設計：

1.1 合理設計催化劑①頂端硬（yìng）化。增加蜂窩（wō）式催化劑端部（bù）的硬度，以抵禦迎灰（huī）麵（miàn）的磨損。②增厚。增加整體催（cuī）化劑的壁厚，提高（gāo）磨損裕量，以延長（zhǎng）催化劑的機械壽命（mìng）。③根據粉塵濃度，選用合適的（de）催（cuī）化（huà）劑節距和蜂窩尺（chǐ）寸。④通過適當的（de）製備工藝，增加催化劑表麵的光滑度，減緩飛灰在催化劑表麵的沉積⑤設（shè）計合理的催化劑配方。我國各（gè）地區煤炭的品質差異（yì）很大（主要包括As、Ca、Na、K、Mg、S、Cl等元素含量；灰（huī）分的含量和特性），要提供準確的煤質成分及及煙氣參數，準確配方，提（tí）高催化劑的熱穩（wěn）定性、活性、選擇性和機械強度，有效的保（bǎo）護催化劑中主要的活性成分V2O5，緩解As中毒。⑥改變催化劑的微孔結構（gòu）和微孔分布有效地預防（fáng）砷中毒。⑦找到催（cuī）化劑脫硝效率和SO2轉化率的*佳平衡（héng）點，控製催化劑總體積，達到*佳應用。⑧催化劑上設防（fáng）積灰網，捕捉或破碎大粒徑灰分。

同時符合GBT 31587-2015《蜂窩式煙氣脫硝催化劑》各項要求。

1.2 合理設計結構，減少（shǎo）飛灰（huī）影響：

①采用CFD輔助設計，並進行實體流場模型來優化設計，合理設置流場，以保證反應器第*層催化劑的上部條件不大於下述值：

速度*大偏差：平均值的±15%

溫度*大偏差：平均值的（de）±10℃

氨氮摩爾比的（de）*大偏差：平均值的±5%

煙氣入（rù）射催化（huà）劑角度（與垂（chuí）直方向的（de）夾角）：±10°

氣流分布均勻性（顆粒濃度場）*大偏（piān）差：相對均方根差值不大於0.15

通常設計要求A、B側的流（liú）量偏差控製在5%以內。

通過通過合理（lǐ）設計安裝導流板和結構（gòu）支撐來優化進口煙（yān）氣速（sù）度（dù），氨氮（dàn）摩爾比的分（fèn）布、減小粉塵衝擊角度，防止局（jú）部流速過（guò）高、過低造成磨損和堵塞。

②設置預除塵裝置以及在省煤器出口設置大截麵灰（huī）鬥和除灰格柵，將（jiāng）煙（yān）氣攜帶的（de）粒徑大於1.5-2.5毫米的飛灰除去，同時設（shè）計料位計，監測正常運（yùn）行（háng）。

③合理布置吹灰位置（zhì），降低飛灰在催（cuī）化劑表麵的沉積；根（gēn）據CFD濃度場模擬結構優（yōu）化。

某項目聲波吹灰器，每層催（cuī）化劑層設10個聲（shēng）波吹灰器，共2層，每台（tái）反應器共設20隻（zhī）聲波吹灰器，單台爐布置40隻聲波吹灰器（qì），備用層聲波吹（chuī）灰（huī）器不供貨（huò）。

聲波吹灰器的頻率為75HZ，有（yǒu）效輻射範圍為13米，內部能量輸出水平為147dB，外部噪音水平為82dB，建議的吹掃頻率為10秒/10分鍾，每個反應器從*上層開始吹掃，每層的二（èr）個吹灰器（qì）同時動作，每台反應器的一個吹掃周期需要（yào）60秒。另外，在反（fǎn）應器入（rù）口和出口均裝設壓力（lì）測量裝置，可以測量壓差，當壓差過大時，表明催化劑（jì）堵塞，可以人工進行強行吹灰。

下圖為聲波吹灰器的布置位置示意圖：

*上麵（miàn）一層吹灰器以20度（dù）角傾斜向下安裝，其他層的吹灰（huī）器水平布置（zhì）。第*層（céng）吹灰器傾斜（xié）安裝主要考（kǎo）慮偏轉聲波的（de）指向性，使更多（duō）的聲波能量作用於積灰麵，角度的選擇在於作用範圍與指向性以及聲波反射間的平衡（héng），其（qí）它層間（jiān）吹灰（huī）器采用水平布置，主要考慮兩層之間間距（jù）較小（xiǎo），聲波可以在此空間內多次反射，形成良好的聲（shēng）場，有效地利用聲能（néng），除了（le）可以吹掃下層催化劑外，還可以對上層（céng）催化劑的底部進行（háng）吹掃。

④在反應器設計（jì）時充分考慮某工程煙（yān）氣含塵量較高的特點，同時根據實（shí）際運行經驗設計合適的（de）煙氣流速，選取了較低的催化劑（jì）空塔流速5.1m/s（壓力修正之後），反應器內催化劑模塊采用10X8布置，垂直流設置，並安裝整流裝置（zhì）等，捕捉或破碎大粒徑灰分，防止磨損或堵塞。

⑤從催（cuī）化劑的角度，要綜合考慮實際的工況與灰量，根據（jù）濃度與速度（dù）場分布情況，催（cuī）化劑錯列（liè）布置，灰濃度（dù）大且流速低的爐前側宜布置大孔距催化劑，爐後（hòu）灰濃度小且流速大的爐後位置宜布置小孔距催化劑，將飛灰沉積的（de）問（wèn）題*小化。推（tuī）薦如（rú）下（xià）：

3.運行維護措施

為了延長催化劑的使用壽命（mìng），在運行維護中以（yǐ）下方麵需要特別注意：

（1）控製引風機出力，A、B側平衡通風；

（2）保證脫硝催化劑在規定（dìng）的溫度運行，不要超溫（wēn），防止催化劑燒（shāo）結；當（dāng）溫度低於*低噴氨溫度時必須停止噴氨；如果（guǒ）硫酸氫銨的（de）沉積（jī），需（xū）要及時將煙溫升至活性溫（wēn）度（dù）350℃以上，以保證硫酸氫銨能夠分解，催化（huà）劑活性重新恢複；

（3）在（zài）啟動時，需要（yào）對（duì）燃燒條件（jiàn）進行（háng）監測，防止不完全燃燒時殘碳或殘油在催化劑上累積引起催化劑著火燒結；

（4）在啟停時，特別需要防止液（yè）體水在（zài）催化劑表麵的生（shēng）成，否（fǒu）則會造成催化（huà）劑表麵飛（fēi）灰中的K2O和Na2O等中毒物質快速滲透催化劑內部引（yǐn）起催化劑活性的快速失（shī）活；

（5）在（zài）鍋爐的冷啟動和冷卻過程中特別需要防止凝（níng）結水的生成。當溫（wēn）度處於露點之下時，孔洞會將銨鹽、硫酸（suān）鹽、水及其它汙染物（wù）吸（xī）入（rù）催化劑，這些物質的蒸發、沉澱會在氣孔係（xì）統產生壓應（yīng）力，從而導致催化劑的損傷。因此，推薦以下溫（wēn）升速率：

升溫時應快速通過水及酸的露點區（qū），絕對不能（néng）在露點區停滯。因為對已中（zhōng）毒的催化劑而言其活性不（bú）能（néng）再恢複，且毒性還會（huì）向（xiàng）催化劑中心區遷移，從而使催化劑的活性不可逆地（dì）減小。

（6）避免爐膛受熱麵吹灰時間過長，造成煙氣含水量過大或在催（cuī）化劑表麵形成小水滴；

（7）在運行中，運行中（zhōng）嚴格按照吹灰（huī）頻率、時間（jiān）和氣源壓（yā）力（lì）進行吹掃（sǎo），防止催化（huà）劑的堵塞，並可以避免（miǎn）飛灰（huī）在催化劑表麵（miàn）的停留（liú）時間，造成催化劑的活性下降；

（8）運行過程中密切監控係統壓差變化，特別是（shì）在鍋（guō）爐低負荷工況下或（huò）煤種發生（shēng）變（biàn）化、灰分升高、流速降低時，應適當增加吹灰頻次；當脫硝係統壓（yā）差突然降低，懷（huái）疑有催化劑損毀的（de）發生，應（yīng）盡快打開反應器檢查;在催（cuī）化劑阻（zǔ）力增大時，加強吹灰器吹（chuī）掃頻率及時間，能（néng）在發生大麵積堵（dǔ）塞（sāi）前便解（jiě）決問題。在停機前必須進（jìn）行吹灰。

（9）控製煙氣中的氧量，降低SO2的（de）轉化率。

（10）運行時燃用煤種應（yīng）好於或近似於設計時煤種，保證（zhèng）實際運行參數與設計參數的一（yī）致性。

（11）保持省（shěng）煤（méi）器灰鬥輸灰正常，發現高料位，及時查找原因進行處理。

（12）保持係統及設備正常，停運期間進行磨損、堵塞情況檢查，清理沉積的積灰，催化劑被損毀後，無（wú）法修（xiū）複時要及時更換，對發現（xiàn）的異常情況需及時解決，防止情況惡化。

（13）定期（一年（nián））抽取試樣，標注日期與位置，密封包裹好送樣，依據（jù）DL/T1286-2013《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測技術規範（fàn）》進行第三方檢（jiǎn）測（cè），全麵評（píng）估催化劑當時活性情況，準確評估有效壽命，發（fā）現問題提供解決方案和運行建議。

（14）清洗空預器時（shí）要完全（quán）隔離脫硝（xiāo）係統，通過關（guān）閉空預（yù）器入口擋板以及覆（fù）蓋嚴密的防（fáng）水布來防止水滲入催化劑（jì）內部。升溫時應快速通（tōng）過水及酸的露點區，絕對不能在露點區停滯。因為對已中毒的催化劑而言其活性（xìng）不能再恢複，且（qiě）毒性還會向催化劑中心區遷移，從而使催化劑（jì）的活性不可逆地減小。

（6）避免（miǎn）爐膛受熱麵吹灰時間過長（zhǎng），造成煙氣（qì）含水量過大或在（zài）催化劑表麵形成小水滴；

（7）在運行中（zhōng），運行中嚴格按照吹灰頻率、時間和氣源壓力進行吹掃，防止催化劑的堵塞，並可以（yǐ）避免飛灰在（zài）催化劑表麵的停留時間，造成催化劑的活性下（xià）降；

（8）運（yùn）行過程中密切監控係統壓差變化，特別是在鍋爐低負荷工況下或煤（méi）種發生變化、灰分升高、流速降低時，應適（shì）當增加吹灰頻次（cì）；當脫硝係統壓差突然降（jiàng）低，懷疑有催化劑損毀的發（fā）生（shēng），應盡快打開反應器檢查;在催化劑阻力增大時，加（jiā）強（qiáng）吹灰器吹掃頻率及時間，能在發（fā）生大（dà）麵積堵塞前便解決（jué）問（wèn）題。在停機前必須進行吹（chuī）灰。

（9）控製煙氣中的氧量（liàng），降低SO2的轉化率。

（10）運行時燃用煤種應好（hǎo）於（yú）或近似於（yú）設計時煤種，保證實際運行（háng）參數與設計（jì）參數的一致性。

（11）保持省煤器灰鬥輸（shū）灰正（zhèng）常，發現高料（liào）位，及時查找原因進行處理。

（12）保持係統及設備正常，停運期間進行磨損、堵塞情況檢查，清理沉積的積灰，催（cuī）化劑被損毀後，無法（fǎ）修複時要及時更換（huàn），對發現的異常情況需及時解決，防止情況惡化。

（13）定期（一年）抽取試樣，標（biāo）注日期與位置，密封包裹好送樣，依據（jù）DL/T1286-2013《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測（cè）技術規範》進行第三方檢測，全麵評估催化劑當時活性情況（kuàng），準確評估（gū）有效壽命，發現問題提供解決方案和運行建議。

（14）清洗空預（yù）器時要完全隔離脫硝係統，通過關閉空預器入口擋板以及覆蓋嚴密的防水布來防（fáng）止水滲（shèn）入催（cuī）化劑內部（bù）。