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        SCR反應(yīng)催化劑的要求及影響因素研究

        2017-10-26 07:57:49閆瑞寧
        科技創(chuàng)新導報 2017年22期
        關(guān)鍵詞:催化劑

        閆瑞寧

        摘 要:導致大氣污染的原因有很多,火力發(fā)電形成的氮氧化物(Nox)即為其中之一,這一問題得到了廣泛的關(guān)注。在諸多NOx排放控制技術(shù)中,選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)以其高脫硝效率和成熟的工藝實現(xiàn)了工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。本文就SCR工藝進行簡要介紹,對影響SCR系統(tǒng)反應(yīng)活性以及對適用于SCR系統(tǒng)的催化劑的要求進行分析闡述。

        關(guān)鍵詞:選擇性催化還原 催化劑 反應(yīng)活性

        中圖分類號:X701 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2017)08(a)-0102-02

        氮氧化物(NOx)是導致大氣污染的罪魁禍首之一,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對人體健康有極大的損害,當NOx溶解在雨水中時會變成酸雨,腐蝕建筑,使土壤變性,危害生態(tài)健康。此外,NOx在紫外線作用下發(fā)生光化學反應(yīng)形成光化學煙霧,對環(huán)境及健康帶來威脅。因此,降低工業(yè)生產(chǎn)過程中NOx的排放量具有極其重要的現(xiàn)實意義。

        尤其在燃煤電廠中,NOx的生成量較大,NOx排放控制技術(shù)是非常必要的。根據(jù)NOx的生成機理以及脫除經(jīng)驗,通常將其分為3類:(1)燃燒前控制技術(shù);(2)燃燒中控制技術(shù);(3)燃燒后控制技術(shù)。

        在諸多NOx排放控制技術(shù)中,選擇性催化還原法(SCR)脫硝技術(shù)是國際上應(yīng)用最多、技術(shù)最為成熟且效率最高的脫硝技術(shù)之一,得到了大面積工業(yè)化。本文中,針對SCR脫硝技術(shù)進行研究,重點探討在應(yīng)用該技術(shù)時和催化反應(yīng)效果有關(guān)的各項因素。

        1 選擇性催化還原法(SCR)工藝

        SCR(Selective Catalytic Reduction)技術(shù)由美國Eegelhard公司發(fā)明,日本率先在20世紀70年代對此方法實現(xiàn)了工業(yè)化。大部分的燃煤發(fā)電廠選擇使用NH3作為還原劑對氣體進行脫硝處理,處理過程是通過NH3和NOx的反應(yīng)實現(xiàn)的,在合適的溫度環(huán)境下?lián)饺氪呋瘎┐龠M反應(yīng)的發(fā)生,形成的產(chǎn)物是無害的N2。這種方法也被稱為選擇性催化還原法。原因在于NH3會優(yōu)先和Nox反應(yīng)而不是O2。

        通常情況下NH3-SCR反應(yīng)的主反應(yīng)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、丙烯等催化劑也能夠作為SCR反應(yīng)中的還原劑。通過使用適當?shù)拇呋瘎┎⒖刂七€原劑和NOx的摩爾比例,可以得到80%~90%以上的脫硝率。

        2 SCR反應(yīng)對催化劑的要求

        選擇哪一種催化劑,很大程度上決定了SCR反應(yīng)的脫硝效率。選擇催化劑的基本要求是:活性強、成本低廉、能夠多次使用、不形成二次污染等。在這些要求中,最終影響反應(yīng)的催化活性的最重要的一項則是要具有高活性。因此,選取具有較高催化活性的催化劑是提高脫硝效率的關(guān)鍵。

        催化劑自身結(jié)構(gòu)對催化活性有較大的影響,這些影響體現(xiàn)在催化劑的比表面積、孔隙率、平均孔徑及孔徑分布等方面。

        2.1 比表面積

        比表面積指的是單位質(zhì)量物質(zhì)的表面積。從反應(yīng)機理的角度來看,SCR反應(yīng)是一種多相催化反應(yīng),催化劑會將反應(yīng)物的分子吸附在其表面,創(chuàng)造更好的反應(yīng)條件,所以比表面積是衡量催化活性的重要指標。若將催化劑制作成多孔的結(jié)構(gòu),其比表面積將會大幅提高,催化活性增強,脫硝率得到提高。

        2.2 孔隙率

        物質(zhì)內(nèi)部的孔隙和整個顆粒二者體積的比值即為孔隙率。孔徑和比表面積均和孔隙率有關(guān)。通常情況下,比表面積、催化活性和孔隙率之間呈正相關(guān)關(guān)系,但若孔隙率太大,催化劑的機械強度將會有所降低。因此要綜合考慮催化效率及極限強度的影響,選取適合的催化劑孔隙率大小。

        2.3 平均孔徑及孔徑分布

        比孔體積和比表面積的比值即為平均孔徑??讖椒植紕t是衡量催化劑中各種孔隙分布狀況的重要指標。當反應(yīng)物的分子進入孔隙并在其中運動時,若孔徑分布不均勻,催化劑的活性將會因此而降低。因此,要實現(xiàn)最可觀的催化活性,要盡量使催化劑中的孔徑均勻地分布。

        通過上述分析可知,在為SCR反應(yīng)選擇催化劑種類時,需要考慮以下6點。

        (1)在較廣泛的工作溫度區(qū)間內(nèi)能夠保持高水平的活性。

        (2)具有較高的選擇性。

        (3)較穩(wěn)定,難以和反應(yīng)物或其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。

        (4)當溫度明顯上升時,能夠保持良好的熱穩(wěn)定性。

        (5)機械穩(wěn)定性好,在部分磨損的情況下依舊保持良好的活性。

        (6)受壓力影響小,使用壽命長。

        3 SCR反應(yīng)活性的影響因素

        SCR反應(yīng)從機理上是多相催化反應(yīng),多相催化反應(yīng)的反應(yīng)步驟大體分為如下五步:(1)反應(yīng)物分子隨著氣流運動,不斷地向催化劑表面及孔內(nèi)擴散;(2)吸附在催化劑內(nèi)表面;(3)和氣相分子發(fā)生反應(yīng);(4)反應(yīng)產(chǎn)物離開催化劑內(nèi)表面;(5)產(chǎn)物進入到孔隙中并隨著氣流逸散。反應(yīng)物首先經(jīng)過外擴散和內(nèi)擴散的傳質(zhì)過程,隨后在催化劑表面經(jīng)過化學反應(yīng)過程完成化學反應(yīng)過程。傳質(zhì)過程的速率,主要是由催化劑結(jié)構(gòu)以及流體流型所決定;化學反應(yīng)的速率,主要由催化劑的外觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及反應(yīng)環(huán)境所決定。下面對影響SCR反應(yīng)效率的主要影響因素進行簡要說明。

        3.1 氣時空速對反應(yīng)活性的影響

        氣時空速一般是指單位體積的催化劑在單位時間內(nèi)所處理的氣體量,反映了煙氣與催化劑表面的接觸時間。低空速會促進反應(yīng)物分子NOx、NH3移動到催化劑的外部和孔隙中,這對脫硝反應(yīng)的進行是非常有利的,但在一定程度上阻礙反應(yīng)產(chǎn)物離開催化劑。高空速可以使反應(yīng)產(chǎn)物能夠在更短的時間內(nèi)離開催化劑,但會抑制反應(yīng)物的吸附和孔隙內(nèi)的運動,使脫硝反應(yīng)速度降低。此外,低空速需要SCR系統(tǒng)中布置更大體積的催化劑,增加系統(tǒng)的成本投入。所以,在實際操作中,要從脫硝效率、脫硝總成本、功耗等多個角度進行全面的考量,選擇最合適的空速。

        3.2 溫度對反應(yīng)活性的影響

        實際上,對應(yīng)于不同煙氣組成和催化劑性質(zhì)的SCR系統(tǒng)均存在一個最佳的反應(yīng)溫度范圍。溫度過低時,氧化還原反應(yīng)速率降低,系統(tǒng)的脫硝效率減??;在高溫環(huán)境下,催化劑可能出現(xiàn)燒結(jié)的現(xiàn)象,對脫硝效率造成負面影響。因此,SCR系統(tǒng)的最佳反應(yīng)溫度應(yīng)取決于煙氣組成和催化劑性質(zhì)等因素。

        3.3 氨氮比對反應(yīng)活性的影響

        氨氮比指的是參與反應(yīng)的NH3和NOx物質(zhì)的量的比值。在理想條件下,若二者比值為1,即無反應(yīng)物殘留,全部轉(zhuǎn)變成N2和H2O。若氨氮比小于1,反應(yīng)后還有部分Nox殘留,此時會影響到脫硝的效果。當氨氮比大于1時,過量的NH3會與煙氣中的氧氣、SO2、SO3等發(fā)生副反應(yīng),導致氨逃逸及脫硝效率的降低。因此,SCR系統(tǒng)的最佳氨氮比應(yīng)在保證最佳脫硝效率的基礎(chǔ)上,有效控制NH3的逃逸量,依照現(xiàn)場測試結(jié)果進行確定。

        4 結(jié)語

        在實際運行的SCR系統(tǒng)中,反應(yīng)活性起到重要的作用,反應(yīng)活性直接決定了脫硝效率。影響反應(yīng)活性的因素包括了催化劑特性以及空速、溫度、氨氮比等。為了得到更好的反應(yīng)活性劑脫硝效率,應(yīng)綜合考慮各個方面的因素,選取達到最佳脫硝效率的反應(yīng)參數(shù),更有效地控制氮氧化物的排放,從而保護環(huán)境,促進社會和經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展。

        參考文獻

        [1] 高巖.選擇性催化還原脫硝催化劑的實驗與機理研究[D].山東:山東大學,2013.

        [2] 郝玉振.火力發(fā)電廠SCR脫硝技術(shù)用催化劑性能試驗研究[D].山東:山東大學,2009.

        [3] 夏懷祥,段傳和.選擇性催化還原法(SCR)煙氣脫硝[M].北京:中國電力出版社,2012.endprint

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