SCR觸媒性能為什麼會下降？毒化、溫度與氨逸散
從毒化、溫度、氨逸散三個面向，區分原因並整理檢查順序
01 · THREE CAUSES
脫硝觸媒為什麼會失去性能？
脫硝觸媒會因活性點遭到堵塞、覆蓋或耗損而失去性能。美國EPA資料將選擇性觸媒還原（SCR）觸媒的劣化原因，列為活性點毒化、高溫造成的燒結、氨－硫鹽類與粒狀物造成的堵塞與污染，以及高氣體流速造成的磨損。[1]為方便現場區分原因，本文將其歸納為毒化與物理劣化、溫度、氨與銨鹽三大類說明。
觸媒活性下降後，NOx去除率降低，氨逸散則增加。逸散達到設計值或容許水準時，就必須安裝新觸媒。[1]因此越早區分原因，就越有機會延後更換時程，或以部分更換因應。
正常觸媒性能下降的觸媒圖1. 正常觸媒模組（左）與通道內堆積粉塵、鹽類的觸媒模組（右）的示意比較。實際外觀與沉積程度依設備而異。
資料來源：AI輔助生成示意圖
| 項目 | 毒化與物理劣化 | 溫度 | 氨與銨鹽 |
|---|---|---|---|
| 主要原因 | 粉塵磨損、通道堵塞，鹼金屬（K、Na、Ca）、重金屬、硫酸鹽、氯化物沉積 | 操作溫度降至觸媒活性範圍以下 | 未反應的NH₃與SO₃、HCl等反應生成銨鹽 |
| 出現的徵兆 | 脫硝率下降、觸媒層壓差上升 | 相同噴注量下脫硝率仍下降（啟動與低負載區間尤其明顯） | 脫硝率下降且逸散增加，後段壓差上升、腐蝕 |
| 能否恢復 | 鹼金屬毒化可經清洗、再生部分恢復；高溫燒結難以恢復 | 重新升溫後多半可恢復，但若長期持續，可能導致永久劣化 | 多半可經加熱分解或清洗去除 |
| 主要對策 | 前段過濾、抗毒化配方、清洗與再生 | 操作溫度管理、再加熱、觸媒規格選定 | 還原劑噴注量控制、溫度維持、後段清洗 |
鹼金屬毒化可經清洗、再生部分恢復，而燒結難以恢復的區分，係依據回顧論文。[3]溫度與銨鹽兩欄的依據，於第3節與第4節說明。
依原因而定。溫度偏離造成的銨鹽沉積，或水溶性鹼金屬、硫酸鹽沉積，有時可經升溫或清洗恢復活性。相反地，燒結與磨損難以恢復，因此在決定更換前，應先區分原因。
02 · POISONING
毒化由什麼引起？前段過濾能減少到什麼程度？
毒化是指氣體與粉塵中的鹼金屬、硫、氯、重金屬成分附著於觸媒活性點或堵塞孔隙，進而妨礙反應的現象。粒狀成分可透過前段過濾大幅減少，但氣態成分則難以靠過濾阻擋。因此必須留意：僅靠前段過濾，並不能完全解決毒化問題。
直接暴露於粉塵的SCR最先受損
在將SCR設於集塵設備之前的高塵（high-dust）配置中，粉塵會磨損觸媒表面並堵塞通道，使壓損增加。此外，K、Na、Ca等鹼金屬成分會毒化活性點，重金屬、硫酸鹽與氯化物一旦沉積，就需要清洗與再生，更換週期也會縮短。廢棄物焚化廢氣被視為含有大量鹼金屬與鹼土金屬的典型案例。[3]
鹼金屬使觸媒劣化的途徑大致有兩種：一是觸媒酸性位點遭中和的化學劣化，二是銨鹽或灰分堆積造成堵塞與覆蓋。已知在釩系觸媒中，鉀的影響最大。[3]若將SCR移至集塵設備之後，粉塵負擔雖會減輕，但可能須將降低的廢氣溫度再次提高。[1]
粒狀與氣態成分的對策不同
若在觸媒前方設置袋式集塵器這類先行濾除粉塵的設備，即可減少粒狀成分接觸觸媒層的量。相反地，以氣態流入的成分會依操作溫度到達觸媒層，因此須由觸媒配方與溫度管理來因應。
| 項目 | 前段過濾可減少者 | 難以靠過濾阻擋者 |
|---|---|---|
| 代表成分 | 飛灰與細微粉塵、附著於粉塵的K、Na、Ca鹼金屬、粒狀重金屬、未反應吸收劑、粒子化的鹽類（氯化物、硫酸鹽）粉塵 | 氣態SO₂、HCl、水蒸氣、氣態重金屬（汞等）、NH₃、部分微細硫酸（SO₃）霧滴 ※若同時投入吸收劑（消石灰等），可在濾層中大幅減少SO₂、SO₃與HCl |
| 對觸媒的影響 | 觸媒層磨損、通道與孔隙堵塞、粉塵中鹼金屬造成的毒化 | 依操作溫度到達觸媒層，參與毒化與銨鹽生成 |
| 主要對策 | 前段過濾，必要時清洗 | 抗毒化觸媒配方、操作溫度管理 |
前段過濾並不能擋下所有鹼金屬。生質燃料設施的研究報告指出，暴露於100 nm以下超微細鹼金屬粒子的時間，與觸媒劣化呈線性關係。[3]因此，即使經過過濾，仍以將鹼金屬濃度列為管理項目較為穩妥。
03 · TEMPERATURE WINDOW
觸媒活性溫度與實際操作溫度不同時，會發生什麼事？
操作溫度若低於觸媒的活性溫度，不僅反應變慢，硫酸氫銨（ABS）還會凝結並堵塞觸媒孔隙，使脫硝率進一步下降。硫酸氫銨是廢氣中的SO₃、水分與NH₃反應生成的鹽類。[2]
最佳溫度依觸媒種類與廢氣組成而異，EPA資料介紹SCR的最佳溫度約為250～427℃。[1]另一方面，廢棄物焚化爐袋式集塵器出口的廢氣溫度通常在120～180℃左右，而通用釩系觸媒一般在200℃以上使用。即使是先去除酸性氣體的尾端（tail-end）配置，通常也會再加熱至170～200℃以上運轉。填補這個差距的方法有兩種：將廢氣再加熱，或使觸媒規格配合低溫。再加熱可能大幅增加營運成本。[1]
圖2. 袋式集塵器操作溫度、觸媒活性溫度與ABS露點的位置比較。各範圍出自不同資料，並非同一設備的實測值。在SO₃與NH₃濃度較低的脫硫後段，ABS露點會遠低於此範圍。各數值依觸媒種類與廢氣組成而異。
資料來源：袋式集塵器操作溫度依MICROONE股份有限公司技術資料，觸媒使用溫度依一般文獻範圍，ABS露點依文獻報告[2]，最佳範圍依EPA[1]
ABS可以恢復，但長期放置就未必
文獻報告硫酸氫銨的露點在高硫廢氣條件下約為280～320℃，而在SO₃與NH₃濃度較低的脫硫後段則會遠低於此。廢棄物焚化爐的尾端SCR，主要是在約200℃以下時才會出現沉積問題。在露點以下，NH₃與硫酸蒸氣會凝結並覆蓋觸媒表面。此過程為可逆，只要將溫度重新提高到露點以上，沉積物就會蒸發，活性隨之恢復。然而，若操作溫度長時間低於露點，活性可能發生永久性變化。[2]因此，需在低溫區間運轉的設施，應將定期再活化納入計畫。
04 · AMMONIA SLIP
氨逸散為什麼會發生？會污染什麼？
氨逸散是指噴注的氨未能與NOx完全反應，直接隨排氣排出的現象。主要原因是還原劑噴注過量與觸媒活性下降。EPA說明，逸散的氨可能在下遊生成硫酸銨，造成設備堵塞或腐蝕，也可能被飛灰吸收，影響其處置或再利用。[1]
逸散既是原因，也是結果
觸媒活性下降會使逸散增加，增加的逸散又生成銨鹽，再次污染觸媒與後段設備。要打破這個惡性循環，就不能只把逸散當作單純的排放數值，而應同時視為反映觸媒狀態的指標。NH₃、SO₃與HCl反應生成的銨鹽，可能依溫度與濃度條件沉積於觸媒層。
圖3. SCR反應器的觸媒層（左）與放大的觸媒通道內部（右）示意。銨鹽堆積於通道壁時，氣體通過的流道會變窄。實際沉積位置與數量依設備而異。
資料來源：AI輔助生成示意圖
為提高脫硝效率而過量噴注還原劑，會增加藥劑費並使未反應的氨排出，進而導致後段設備腐蝕與二次污染。在SNCR中，還原劑的噴注位置與廢氣溫度分布對逸散影響很大，因此常以流場與溫度解析決定噴嘴位置與噴霧條件，並配合負載及爐內溫度、NOx的變化，控制噴注位置與噴注量。兩種方式的原理與選型標準，已在「SNCR與SCR有什麼不同？」中整理。
05 · REDUCING DEGRADATION
要減少性能下降，有哪些方向？
減少性能下降的方向有前段過濾、抗毒化配方、溫度管理、清洗與再生四種，哪一種有效，取決於毒化原因與廢氣條件。
- 前段過濾：預先減少硫與粉塵，可降低觸媒劣化與下遊設備污染。[1]同時也能減輕粒狀鹼金屬與粉塵磨損的負擔。
- 抗毒化配方：技術開發持續朝提高觸媒配方的耐磨損、抗毒化性，以及改善形狀、節距與排列的方向進行。為提高耐鹼性的研究，已有採用酸性較強的載體，或以其他金屬取代釩的方法報告。[3]
- 溫度管理：縮短啟動、停機與低負載時觸媒層溫度低於ABS露點的時間。必要時進行再加熱，或使觸媒規格配合較低溫度。
- 清洗與再生：以水洗或稀硫酸清洗去除鹼金屬與硫酸鹽。稀硫酸清洗可有效去除鹼金屬，但釩等活性成分可能部分溶出，而需要補充。[3]
也有焚化爐後段SCR的案例。報告指出，在去除運轉約18,000小時觸媒上的銨鹽與硫酸鈣時，水洗比400℃熱處理更能有效恢復活性，釩的溶出也有限。[3]這是單一設施的結果，若要推廣至其他設施，須先分析觸媒與沉積物。
水洗或稀硫酸
圖4. 通道內堆積沉積物的觸媒模組（左）與清洗、再生後沉積減少的觸媒模組（右）示意。實際恢復程度依沉積原因與清洗方法而異，清洗後活性成分也可能有所減少。
資料來源：AI輔助生成示意圖
也有完全不同的做法：在濾除粉塵的袋式集塵器中配置觸媒，以單一設備同時處理集塵與脫硝的觸媒濾袋方式。由於不需獨立的SCR反應器，而是利用既有的袋式集塵器，在設置空間與設備規模受限時可列入評估。
06 · CHECK ORDER
性能下降時，應依什麼順序檢查？
一般是從成本低、不必停機即可確認的項目著手，依運轉數據趨勢、溫度履歷、壓差、氣體與粉塵成分、觸媒樣品分析的順序進行。以下順序為一般檢查流程的整理，會依各設施的設計條件而有所不同。
| 順序 | 確認項目 | 若出現此徵兆 | 可疑原因 |
|---|---|---|---|
| 1. 運轉數據 | 入口與出口NOx、還原劑噴注量、NH₃逸散趨勢 | 相同噴注量下，出口NOx與逸散同時上升 | 觸媒活性下降或NH₃/NOx分布不均（含噴注格柵檢查，原因於下一步驟區分） |
| 2. 溫度履歷 | 觸媒層溫度，啟動、停機與低負載區間 | 低於設計下限溫度的時間長 | ABS等銨鹽沉積 |
| 3. 壓差 | 觸媒層壓差、後段設備壓差 | 觸媒層壓差上升／後段壓差上升與腐蝕 | 通道堵塞與沉積／逸散造成的銨鹽 |
| 4. 前段污染物 | 粉塵、鹼金屬（K、Na、Ca）、SO₂、SO₃、HCl、水分 | 鹼金屬與酸性氣體濃度高於設計條件 | 毒化 |
| 5. 觸媒樣品分析 | NOx轉化率、NH₃逸散、N₂O、壓差、沉積成分 | 檢出鹼金屬與硫酸鹽，活性試驗中轉化率下降 | 確定毒化種類與沉積物 |
| 6. 決定對策 | 升溫運轉、調整噴注分布、清洗與再生、增設備用層或部分更換 | 已確認原因與恢復可能性 | 依原因選擇對策 |
在決定對策的階段，比起全部更換，將觸媒分批、逐次部分更換的管理計畫更有幫助，因為更換與廢棄成本可平均分攤於整個使用壽命期間。[1]
FAQ
常見問題
如何得知脫硝觸媒性能已經下降？
在相同還原劑噴注量下，若出口NOx上升、氨逸散增加，且觸媒層壓差同時變化，即應懷疑性能下降。僅憑單一指標難以區分原因，因此應一併確認溫度履歷與後段設備壓差。
因溫度降低而下降的觸媒性能，也能恢復嗎？
可以。若原因是硫酸氫銨（ABS）沉積，將溫度提高到露點以上使其分解、蒸發，活性多半能夠恢復。但若長時間在露點以下運轉，可能導致永久性劣化，因此及早因應很重要。
氨逸散增加，就應視為觸媒問題嗎？
不一定。除了觸媒活性下降，還原劑噴注過量、噴霧分布不均與負載變動也會使逸散增加。應先確認噴注量控制與噴霧條件，若逸散仍持續增加，再檢查觸媒狀態。
清洗、再生與更換如何區分？
依觸媒樣品的活性試驗與沉積成分分析結果區分。鹼金屬與硫酸鹽沉積有時可經清洗恢復，但燒結與磨損難以恢復，且酸洗可能使部分活性成分溶出。
在前段濾除粉塵，就能完全防止觸媒劣化嗎？
不能。粒狀成分雖可大幅減少，但氣態SO₂、HCl、水蒸氣與NH₃僅靠過濾難以阻擋。若同時投入吸收劑，酸性氣體也能大幅減少。這些成分須以觸媒配方與操作溫度管理來因應。
- 美國環境保護署（U.S. EPA），「Air Pollution Control Technology Fact Sheet: Selective Catalytic Reduction (SCR)」（EPA-452/F-03-032），2003
- Zhu, Y. 等，「Ammonium-Salt Formation and Catalyst Deactivation in the SCR System for a Marine Diesel Engine」，Catalysts 9(1), 21, 2019
- Lisi, L., Cimino, S.，「Poisoning of SCR Catalysts by Alkali and Alkaline Earth Metals」，Catalysts 10(12), 1475, 2020