蔣亞彬，董月紅，薛洋企，王田禾

(國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210031)

以燃煤為主的大型火電廠鍋爐系統(tǒng)排放的SO2和NOx是造成大氣污染的主要固定污染源［1］。2010年5月11日國(guó)辦發(fā)布的《國(guó)務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境保護(hù)部等部門關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質(zhì)量指導(dǎo)意見的通知》中就強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)NOx污染減排，建立NOx排放總量控制制度?！笆濉币?guī)劃中對(duì)于“火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物特別排放限值”的規(guī)定中，燃煤鍋爐NOx限值為150～450mg/m3。從中可以看出隨著國(guó)家環(huán)保法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的不斷更新，對(duì)燃煤電廠NOx的排放控制必將越來(lái)越嚴(yán)格。

選擇性催化還原技術(shù)(SCR)是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。由于已商業(yè)化的催化劑的活性溫度窗口(300～400℃)較高，為獲得理想的脫硝效果，多采用高溫、高灰工藝，即將SCR裝置布置在除塵和脫硫設(shè)施之前。但高溫操作會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用升高，同時(shí)對(duì)催化劑的抗硫和抗粉塵等性能要求較高。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)固定源尚未安裝SCR裝置，若采用該法進(jìn)行脫硝，須對(duì)現(xiàn)有尾氣處理系統(tǒng)進(jìn)行較大規(guī)模的改造以適應(yīng)技術(shù)需要，實(shí)施成本較高。因此，適用于尾氣處理系統(tǒng)末端的低溫SCR技術(shù)成為研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。該法將SCR裝置布置在脫硫設(shè)施之后，不需對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改造，催化劑可在較“潔凈”的環(huán)境下工作，延長(zhǎng)了催化劑壽命，更適合我國(guó)現(xiàn)有的國(guó)情［2］。

本文主要研究低溫SCR催化劑，試驗(yàn)中所用的催化劑是一種自成型催化劑，該催化劑是將氧化鈦(TiO2)與陶瓷原料以一定比例攪拌均勻，采用模壓工藝擠壓成型，用浸漬法將活性成分以一定比例添加到載體中，干燥成型(本文活性成分涉及5種不同組分)，然后對(duì)催化劑進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，比較各催化劑的脫硝效率。

1 試驗(yàn)概況

1.1 制備

用浸漬法制備SCR催化劑，載體為自行研制的TiO2載體(φ50mm)。將不同重量的TiO2載體分別浸入配置好的催化劑中，經(jīng)100℃空氣干燥3h、500℃空氣焙燒2h處理后測(cè)定載體重量，以估算催化劑的負(fù)載量。

1.2 試驗(yàn)

用煙氣分析儀測(cè)試SCR催化劑的脫硝效率，反應(yīng)條件為:120℃，0.1MPa;模擬尾氣試驗(yàn)條件下煙氣組成為NOx600μL/L，O2含量為6%，其余為N2;煙氣空速1000 ～9000h－1。

1.3 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)裝置示意見圖1。

圖1 催化劑脫硝效率檢測(cè)裝置示意

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)催化活性的影響

2.1.1 不同反應(yīng)溫度對(duì)同一催化劑活性的影響

本試驗(yàn)對(duì)TMC催化劑進(jìn)行5種溫度的測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 TMC催化劑不同溫度脫硝效率

從圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，脫硝效率提高，120℃時(shí)脫硝效率達(dá)到最大，溫度繼續(xù)升高，脫硝效率反而降低。在SCR反應(yīng)過程中溫度的影響存在兩種趨勢(shì)，一方面隨著溫度的升高，NOx與NH3選擇性反應(yīng)速率提高，脫硝效率升高;另一方面溫度的升高使NH3發(fā)生氧化反應(yīng)，脫硝效率下降。因此，最佳溫度是這兩種趨勢(shì)對(duì)立統(tǒng)一的結(jié)果。

2.1.2 不同反應(yīng)溫度對(duì)不同催化劑活性的影響

本試驗(yàn)是在兩種反應(yīng)溫度即90℃和120℃下對(duì)5種不同催化劑進(jìn)行脫硝效率比較。從圖3可以看出，120℃溫度下的脫硝效率明顯高于90℃。考慮到120℃時(shí)催化劑脫硝效率最高，后續(xù)試驗(yàn)均在120℃下進(jìn)行。

圖3 不同反應(yīng)溫度催化劑脫硝效率

2.2 催化劑質(zhì)量對(duì)催化活性的影響

本試驗(yàn)在一定的煙氣流量條件下，對(duì)不同質(zhì)量的催化劑進(jìn)行脫硝效率檢測(cè)。從圖4中可知，脫硝效率隨催化劑質(zhì)量的增大而升高，質(zhì)量為45g時(shí)脫銷效率最高。催化劑質(zhì)量增多，反應(yīng)氣體與催化劑的接觸面積相應(yīng)就會(huì)增大，有利于反應(yīng)氣體在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)和產(chǎn)物氣體的解析、擴(kuò)散，從而使脫硝效率升高。

圖4 不同質(zhì)量的催化劑脫硝效率

2.3 不同活性分子的含量對(duì)催化活性的影響

本組試驗(yàn)對(duì)10%和5%的活性分子含量的催化劑進(jìn)行檢測(cè)。從圖5可知，10%含量的催化劑脫硝效率明顯比5%含量的催化劑脫硝效率高，催化劑中活性分子含量增加，脫硝效率提高。

圖5 不同活性分子含量對(duì)催化劑活性影響

2.4 不同活性分子對(duì)催化劑活性的影響

對(duì)不同質(zhì)量、不同活性分子的催化劑進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。從圖6可知，TM、TCM、TMC、TMCM、TMCW催化劑脫硝效率的變化趨勢(shì)是遞增的。這是因?yàn)樵谠嫉腡M催化劑里加入少量Ce元素可以提高催化劑的脫硝效率。在TMC催化劑中加入Mo，隨Mo元素含量的增加，TiO2載體表面多聚鉬酸鹽物種的覆蓋度增加，SCR活性增大，脫硝效率增大;在TMC催化劑基礎(chǔ)上加入W元素。WO3是催化劑中重要的助催化劑，有利于提高催化劑的穩(wěn)定性，減輕煙氣中SO2的氧化速率［3］，而且可以增加催化劑的比表面積，促進(jìn)活性組分的分散［4］，所以脫硝效率增大。

圖6 不同活性分子的催化劑比較

2.5 含Si與無(wú)Si催化劑脫硝效率比較

本試驗(yàn)對(duì)不同質(zhì)量、催化活性分子含量10%、含Si的催化劑與無(wú)Si的催化劑進(jìn)行試驗(yàn)，從圖7可以看出，含Si對(duì)催化劑脫硝效率有一定提高。純SiO2對(duì)催化效率沒有影響，但含Si的催化劑從外形上看要比無(wú)Si的催化劑機(jī)械強(qiáng)度增加，成型更穩(wěn)定，這樣催化活性分子在催化劑的負(fù)載量就更穩(wěn)定更多，對(duì)脫硝效率有一定提高。

圖7 質(zhì)量45g不同催化劑有Si與無(wú)Si比較

3 結(jié)語(yǔ)

(1)催化劑在低溫反應(yīng)區(qū)的最佳反應(yīng)溫度為120℃。隨著催化劑的質(zhì)量增多，脫硝效率增大;隨著催化劑中活性分子含量增加，脫硝效率提高。

(2)不同的活性分子Ce、Mo、W元素的加入可以提高催化劑效率，且加入W時(shí)脫硝效率最好。

(3)含Si的催化劑從性能上要比無(wú)Si的催化劑機(jī)械強(qiáng)度高，成型更穩(wěn)定，催化活性分子負(fù)載量更穩(wěn)定更多，對(duì)脫硝效率有一定提高。

［1］唐富順，許波連，王 奇.整體式SCR催化劑的制備與性能研究［J］.分子催化，2007，(增刊):22 －23.

［2］唐曉龍，郝吉明，徐文國(guó).新型MnOx催化劑用于低溫NH3選擇性催化還原 NOx［J］.催化學(xué)報(bào)，2006，27(10):843 －848.

［3］閆志勇，高 翔，岑可法.V2O5－WO3－MoO3/TiO2催化劑制備及NH3選擇性還原NOx的試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，2007，27(2):282－286.

［4］Alemany L J，LIetti L，F(xiàn)erlazzo N，et al.Reactivity and physicchemical characterization of V2O5－WO3－MoO3/TiO2de－ NOxcatalysts［J］.Journalof Catalysis，1995，(155):117－130.