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        氧化鋁懸浮爐煙氣脫硝SCR催化劑失活因素分析

        2020-11-04 11:50:44劉海濱沈陽鑫博工業(yè)技術股份有限公司
        環(huán)球市場 2020年21期
        關鍵詞:煙氣催化劑

        劉海濱 沈陽鑫博工業(yè)技術股份有限公司

        一、概述

        根據煙氣中含有的雜質能否與催化劑的活性成分發(fā)生反應,是否進而消耗反應活性成分,將催化劑失活分為物理失活與化學失活。物理失活:主要指催化劑高溫燒結、活性鍍層磨損和催化劑空隙堵塞而引起的催化劑失活[1];化學失活:主要指堿土金屬鹽、堿金屬鹽和As的氧化物等引起的催化劑中毒[2]。在實際氧化鋁懸浮爐生產當中,催化劑的失活往往是物理與化學失活并存的。

        二、催化劑的物理失活

        (一)催化劑的高溫燒結

        SCR脫硝催化劑為鈦基催化劑,其在煙氣環(huán)境溫度為320℃~380℃,但若焙燒爐系統(tǒng)出現超溫,使SCR反應器入口煙氣溫度過高,使催化劑長期暴露在450℃以上的高溫中,可能引起催化劑表面的燒結,當煙氣溫度高于650℃時,載體TiO2會發(fā)生相變,從銳鈦礦型向金紅石型轉變,此變化會造成催化劑內微晶聚集,導致催化劑顆粒增大、催化劑表面積減小,從而降低催化劑活性[3]。

        氧化鋁懸浮爐煙氣脫硝裝置中為防治SCR催化劑高溫燒結,可控制進入催化劑的煙氣的溫度不高于催化劑的允許溫度;使催化劑使用壽命不受影響。

        (二)催化劑的堵灰

        催化劑的堵灰會降低催化劑的活性,降低氮氧化物轉化率。隨著堵灰程度的日益加重,如不及時處理會使催化劑失活,反應器內煙氣阻力大大增加,煙氣流速加快,催化劑活性成分加劇磨損,脫硝性下降,最終影響懸浮爐煙風系統(tǒng)的正常運行[4]。

        主要的防堵灰措施主要有:

        (1)催化劑選用合適的節(jié)距。

        (2)反應器內選用合適的煙氣速度。

        (3)當煙氣中的灰分在30g/Nm3以上時,灰顆粒在必然在催化劑表面聚集[5]。因此,在每層催化劑上都布置了聲波吹灰器,根據定期對催化劑表面進行吹掃。

        (4)合理設計煙道和反應器外形尺寸,保證通過催化劑斷面的煙氣速度均勻,反應器內避免出現死角及煙氣流動低速區(qū)。

        (三)催化劑的磨損

        催化劑磨損主要是由煙氣中的粉塵顆粒對催化劑表面的沖擊引起的,因此煙氣流速快和顆粒物濃度高均會加速催化劑的磨損。此外,脫硝反應中設置了自動吹灰裝置也會造成催化劑的磨損。

        防止催化劑磨損采取的措施有:

        (1)合理設計催化劑;

        (2)選用合適的煙氣速度;

        (3)控制煙氣中粉塵的濃度與粒度。

        催化劑成分及結構設計方面采取的措施有:

        (1)頂端硬化。催化劑可增加端部表面鍍層的硬度,催化劑支撐架為金屬網,當頂部逐漸被磨損后露出內部的金屬基材,金屬基材硬度較高可阻止煙氣對下部的鍍層進一步磨損。

        (2)增厚。設計中增加整體催化劑的壁厚可有效延長催化劑的機械壽命。

        (3)使用均質催化劑結構。

        三、催化劑的化學失活

        (一)水的毒化

        煙氣中的水以蒸汽的形式存在,水蒸汽在催化劑表面凝結一方面凝結水會進入催化劑毛細孔中,凝結水會隨著在催化劑溫度增加而汽化膨脹,催化劑內的細微結構被破壞導致催化劑的破裂。另一方面凝結水會加劇Na,K等堿金屬鹽溶解從而對催化劑造成毒化。此外,凝結水會加劇SO2對催化劑的毒害作用[7,8]。水的抑制作用是可逆的,這是由于水與NH3在Lewis位點的競爭性吸附。

        (二)堿金屬的毒化(K,Na等)

        堿金屬鹽(K,Na等)可溶性高,溶解后的堿性比NH3的大,催化劑活性成份優(yōu)先與堿金屬鹽反應,造成催化劑的活性下降。不同堿對催化劑的毒害作用遵循一系列Na2CO3<K2CO3<Na2SO4<K2SO4<NaCl<KCl。

        (三)堿土金屬的毒化(Ca等)

        堿土金屬(Ca等)氧化物對催化劑的毒化作用比堿金屬(K,Na等)氧化物毒化作用弱,因為Na+能同時中和催化劑上的強酸性位及弱酸性位,而Ca+對催化劑表面酸性位影響不大。堿土金屬中Ca對催化劑的毒化作用主要是煙氣中如果含有CaO,其會沉積在SCR催化劑表面與煙氣中的SO3反應生成CaSO4堵塞催化劑孔洞,從而造成催化劑物理失活。

        (四)SO2的毒化

        煙氣中的SO2在被催化劑上的V2O5氧化成為SO3,而后與煙氣中的NH3反應,生成(NH4)2SO4和NH4HSO4,與CaO,MgO等堿土金屬氧化物反應生成的CaSO4,MgSO4,這些生成物均會造成催化劑毛細孔的堵塞[6]。催化劑運行溫度低于噴氨點可有效的為防止(NH4)2SO4和NH4HSO4的生成[7]。

        (五)As的毒化

        煙氣中的氣態(tài)As吸附在催化劑活性基上,造成催化劑的毒化。對于高As煤(5~30mg/Nm3),或者采用煙氣再循環(huán)、液態(tài)排渣的低砷煤,需要通過采取措施:在催化劑中加入MoO3,與催化劑表面的V2O5復合型氧化物,降低As的毒化。

        (六)XRF分析

        為了分析催化劑化學失活的影響,對新舊催化劑進行XRF測試,結果見表1所示。

        由表1可看出:催化劑的有效成分V2O5、TiO2、WO3含量隨著催化劑的使用而減少,堿金屬及堿土金屬Na2O、K2O、MgO含量增高,CaO與SO3含量增高是由于煙氣中的CaO與SO3反應生成CaSO4并附著在催化劑表面,堵塞催化劑孔道,影響催化劑的催化作用。As的進入與V2O5結合形成砷酸釩,導致釩失去活性,造成催化劑As中毒。

        四、結論

        本文從催化劑的物理失活因素及化學失活因素進行分析,得出了應對催化劑失活的主要措施。通過對新舊催化劑進行XRF測試,驗證了這些因素對催化劑催化性能的影響。

        表1 新舊催化劑XRF分析結果Table 1 XRF analysis results of old and new catalysts

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