2023年《安全环境环保技术》之SCR脱硝催化剂的要求及影响因素研究.docx

SCR脱硝催化剂的要求及影响因素研究 摘 要：导致大气污染的原因有很多，火力发电形成的氮氧化物（Nox）即为其中之一，这一问题得到了广泛的关注。在诸多NOx排放控制技术中，选择性催化复原（SCR）脱硝技术以其高脱硝效率和成熟的工艺实现了工业化大规模应用。本文就SCR工艺进行简要介绍，对影响SCR系统反响活性以及对适用于SCR系统的催化剂的要求进行分析阐述。氮氧化物（NOx）是导致大气污染的罪魁祸首之一，它主要指的是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、三氧化二氮（N2O3）等。NOx对人体健康有极大的损害，当NOx溶解在雨水中时会变成酸雨，腐蚀建筑，使土壤变性，危害生态健康。此外，NOx在紫外线作用下发生光化学反响形成光化学烟雾，对环境及健康带来威胁。因此，降低工业生产过程中NOx的排放量具有极其重要的现实意义。 尤其在燃煤电厂中，NOx的生成量较大，NOx排放控制技术是非常必要的。根据NOx的生成机理以及脱除经验，通常将其分为3类：（1）燃烧前控制技术；（2）燃烧中控制技术；（3）燃烧后控制技术。 在诸多NOx排放控制技术中，选择性催化复原法（SCR）脱硝技术是国际上应用最多、技术最为成熟且效率最高的烟气脱硝技术之一，得到了大面积工业化。本文中，针对SCR脱硝技术进行研究，重点探讨在应用该技术时和催化反响效果有关的各项因素。 1 选择性催化复原法（SCR）工艺 SCR（Selective Catalytic Reduction）技术由美国Eegelhard公司创造，日本率先在20世纪70年代对此方法实现了工业化。大局部的燃煤发电厂选择使用NH3作为复原剂对气体进行脱硝处理，处理过程是通过NH3和NOx的反响实现的，在适宜的温度环境下掺入催化剂促进反响的发生，形成的产物是无害的N2。这种方法也被称为选择性催化复原法。原因在于NH3会优先和Nox反响而不是O2。 通常情况下NH3-SCR反响的主反响如下： 4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O 4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O 4NH3+6NO→5N2+6H2O 8NH3+6NO2→7N2+12H2O 另外CO、H2、甲烷、乙烷、丙烷、丙烯等催化剂也能够作为SCR反响中的复原剂。通过使用适当的催化剂并控制复原剂和NOx的摩尔比例，可以得到80%～90%以上的脱硝率。 2 SCR脱硝对催化剂的要求 选择哪一种脱硝催化剂，很大程度上决定了SCR反响的脱硝效率。选择脱硝催化剂的根本要求是：活性强、本钱低廉、能够屡次使用、不形成二次污染等。在这些要求中，最终影响反响的催化活性的最重要的一项那么是要具有高活性。因此，选取具有较高催化活性的催化剂是提高脱硝效率的关键。 脱硝催化剂自身结构对催化活性有较大的影响，这些影响表达在催化剂的比外表积、孔隙率、平均孔径及孔径分布等方面。 2.1 比外表积 比外表积指的是单位质量物质的外表积。从反响机理的角度来看，SCR反响是一种多相催化反响，催化剂会将反响物的分子吸附在其外表，创造更好的反响条件，所以比外表积是衡量催化活性的重要指标。假设将催化剂制作成多孔的结构，其比外表积将会大幅提高，催化活性增强，脱硝率得到提高。 2.2 孔隙率 物质内部的孔隙和整个颗粒二者体积的比值即为孔隙率。孔径和比外表积均和孔隙率有关。通常情况下，比外表积、催化活性和孔隙率之间呈正相关关系，但假设孔隙率太大，催化剂的机械强度将会有所降低。因此要综合考虑催化效率及极限强度的影响，选取适合的催化剂孔隙率大小。 2.3 平均孔径及孔径分布 比孔体积和比外表积的比值即为平均孔径。孔径分布那么是衡量催化剂中各种孔隙分布状况的重要指标。当反响物的分子进入孔隙并在其中运动时，假设孔径分布不均匀，催化剂的活性将会因此而降低。因此，要实现最可观的催化活性，要尽量使催化剂中的孔径均匀地分布。 通过上述分析可知，在为SCR反响选择催化剂种类时，需要考虑以下6点。 （1）在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。 （2）具有较高的选择性。 （3）较稳定，难以和反响物或其他物质发生反响。 （4）当温度明显上升时，能够保持良好的热稳定性。 （5）机械稳定性好，在局部磨损的情况下依旧保持良好的活性。 （6）受压力影响小，使用寿命长。 3 SCR反响活性的影响因素 SCR反响从机理上是多相催化反响，多相催化反响的反响步骤大体分为如下五步：（1）反响物分子随着气流运动，不断地向催化剂外表及孔内扩散；（2）吸附在催化剂内外表；（3）和气相分子发生反响；（4）反响产物离开催化剂内外表；（5）产物进入到孔隙中并随着气流逸散。反响物首先经过外扩散和内扩散的传质过程，随后在催化剂外表经过化学反响过程完成化学反响过程。传质过程的速率，主要是由催化剂结构以及流体流型所决定；化学反响的速率，主要由催化剂的外观结构、性质以及反响环境所决定。下面对影响SCR反响效率的主要影响因素进行简要说明。 3.1 气时空速对反响活性的影响 气时空速一般是指单位体积的催化剂在单位时间内所处理的气体量，反映了烟气与催化劑外表的接触时间。低空速会促进反响物分子NOx、NH3移动到催化剂的外部和孔隙中，这对脱硝反响的进行是非常有利的，但在一定程度上阻碍反响产物离开催化剂。高空速可以使反响产物能够在更短的时间内离开催化剂，但会抑制反响物的吸附和孔隙内的运动，使脱硝反响速度降低。此外，低空速需要SCR系统中布置更大体积的催化剂，增加系统的本钱投入。所以，在实际操作中，要从脱硝效率、脱硝总本钱、功耗等多个角度进行全面的考量，选择最适宜的空速。 3.2 温度对反响活性的影响 实际上，对应于不同烟气组成和催化剂性质的SCR系统均存在一个最正确的反响温度范围。温度过低时，氧化复原反响速率降低，系统的脱硝效率减小；在高温环境下，催化剂可能出现烧结的现象，对脱硝效率造成负面影响。因此，SCR系统的最正确反响温度应取决于烟气组成和催化剂性质等因素。 3.3 氨氮比对反响活性的影响 氨氮比指的是参与反响的NH3和NOx物质的量的比值。在理想条件下，假设二者比值为1，即无反响物残留，全部转变成N2和H2O。假设氨氮比小于1，反响后还有局部Nox残留，此时会影响到脱硝的效果。当氨氮比大于1时，过量的NH3会与烟气中的氧气、SO2、SO3等发生副反响，导致氨逃逸及脱硝效率的降低。因此，SCR系统的最正确氨氮比应在保证最正确脱硝效率的根底上，有效控制NH3的逃逸量，依照现场测试结果进行确定。 4 结语 在实际运行的SCR系统中，反响活性起到重要的作用，反响活性直接决定了脱硝效率。影响反响活性的因素包括了催化剂特性以及空速、温度、氨氮比等。为了得到更好的反响活性剂脱硝效率，应综合考虑各个方面的因素，选取到达最正确脱硝效率的反响参数，更有效地控制氮氧化物的排放，从而保护环境，促进社会和经济的可持续性开展。