劉海濱 沈陽鑫博工業(yè)技術(shù)股份有限公司

一、概述

根據(jù)煙氣中含有的雜質(zhì)能否與催化劑的活性成分發(fā)生反應(yīng)，是否進(jìn)而消耗反應(yīng)活性成分，將催化劑失活分為物理失活與化學(xué)失活。物理失活：主要指催化劑高溫?zé)Y(jié)、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(xué)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(shí)際氧化鋁懸浮爐生產(chǎn)當(dāng)中，催化劑的失活往往是物理與化學(xué)失活并存的。

二、催化劑的物理失活

（一）催化劑的高溫?zé)Y(jié)

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(xiàn)超溫，使SCR反應(yīng)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(jié)，當(dāng)煙氣溫度高于650℃時(shí)，載體TiO2會(huì)發(fā)生相變，從銳鈦礦型向金紅石型轉(zhuǎn)變，此變化會(huì)造成催化劑內(nèi)微晶聚集，導(dǎo)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?zé)Y(jié)，可控制進(jìn)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(huì)降低催化劑的活性，降低氮氧化物轉(zhuǎn)化率。隨著堵灰程度的日益加重，如不及時(shí)處理會(huì)使催化劑失活，反應(yīng)器內(nèi)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(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)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(yīng)器內(nèi)選用合適的煙氣速度。

（3）當(dāng)煙氣中的灰分在30g/Nm3以上時(shí)，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(jù)定期對催化劑表面進(jìn)行吹掃。

（4）合理設(shè)計(jì)煙道和反應(yīng)器外形尺寸，保證通過催化劑斷面的煙氣速度均勻，反應(yīng)器內(nèi)避免出現(xiàn)死角及煙氣流動(dòng)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(huì)加速催化劑的磨損。此外，脫硝反應(yīng)中設(shè)置了自動(dòng)吹灰裝置也會(huì)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wǎng)，當(dāng)頂部逐漸被磨損后露出內(nèi)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(jìn)一步磨損。

（2）增厚。設(shè)計(jì)中增加整體催化劑的壁厚可有效延長催化劑的機(jī)械壽命。

（3）使用均質(zhì)催化劑結(jié)構(gòu)。

三、催化劑的化學(xué)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(jié)一方面凝結(jié)水會(huì)進(jìn)入催化劑毛細(xì)孔中，凝結(jié)水會(huì)隨著在催化劑溫度增加而汽化膨脹，催化劑內(nèi)的細(xì)微結(jié)構(gòu)被破壞導(dǎo)致催化劑的破裂。另一方面凝結(jié)水會(huì)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(jié)水會(huì)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(diǎn)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(yīng)，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?yàn)镹a+能同時(shí)中和催化劑上的強(qiáng)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(huì)沉積在SCR催化劑表面與煙氣中的SO3反應(yīng)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(yīng)，生成（NH4）2SO4和NH4HSO4，與CaO，MgO等堿土金屬氧化物反應(yīng)生成的CaSO4，MgSO4，這些生成物均會(huì)造成催化劑毛細(xì)孔的堵塞[6]。催化劑運(yùn)行溫度低于噴氨點(diǎn)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(fù)合型氧化物，降低As的毒化。

（六）XRF分析

為了分析催化劑化學(xué)失活的影響，對新舊催化劑進(jìn)行XRF測試，結(jié)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(yīng)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(jìn)入與V2O5結(jié)合形成砷酸釩，導(dǎo)致釩失去活性，造成催化劑As中毒。

四、結(jié)論

本文從催化劑的物理失活因素及化學(xué)失活因素進(jìn)行分析，得出了應(yīng)對催化劑失活的主要措施。通過對新舊催化劑進(jìn)行XRF測試，驗(yàn)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(jié)果Table 1 XRF analysis results of old and new catalysts