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        SCR反應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注。在諸多NOx排放控制技術中,選擇性催化還原(SCR)脫硝技術以其高脫硝效率和成熟的工藝實現(xiàn)了工業(yè)化大規(guī)模應用。本文就SCR工藝進行簡要介紹,對影響SCR系統(tǒng)反應活性以及對適用于SCR系統(tǒng)的催化劑的要求進行分析闡述。

        關鍵詞:選擇性催化還原 催化劑 反應活性

        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排放控制技術是非常必要的。根據(jù)NOx的生成機理以及脫除經驗,通常將其分為3類:(1)燃燒前控制技術;(2)燃燒中控制技術;(3)燃燒后控制技術。

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

        1 選擇性催化還原法(SCR)工藝

        SCR(Selective Catalytic Reduction)技術由美國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的反應實現(xiàn)的,在合適的溫度環(huán)境下?lián)饺氪呋瘎┐龠M反應的發(fā)生,形成的產物是無害的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反應而不是O2。

        通常情況下NH3-SCR反應的主反應如下:

        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鍵。

        催化劑自身結構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量物質的表面積。從反應機理的角度來看,SCR反應是一種多相催化反應,催化劑會將反應物的分子吸附在其表面,創(chuàng)造更好的反應條件,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構,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

        物質內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。通常情況下,比表面積、催化活性和孔隙率之間呈正相關關系,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。孔徑分布則是衡量催化劑中各種孔隙分布狀況的重要指標。當反應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,難以和反應物或其他物質發(fā)生反應。

        (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反應活性的影響因素

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

        3.1 氣時空速對反應活性的影響

        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。低空速會促進反應物分子NOx、NH3移動到催化劑的外部和孔隙中,這對脫硝反應的進行是非常有利的,但在一定程度上阻礙反應產物離開催化劑。高空速可以使反應產物能夠在更短的時間內離開催化劑,但會抑制反應物的吸附和孔隙內的運動,使脫硝反應速度降低。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 溫度對反應活性的影響

        實際上,對應于不同煙氣組成和催化劑性質的SCR系統(tǒng)均存在一個最佳的反應溫度范圍。溫度過低時,氧化還原反應速率降低,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)的最佳反應溫度應取決于煙氣組成和催化劑性質等因素。

        3.3 氨氮比對反應活性的影響

        氨氮比指的是參與反應的NH3和NOx物質的量的比值。在理想條件下,若二者比值為1,即無反應物殘留,全部轉變成N2和H2O。若氨氮比小于1,反應后還有部分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,導致氨逃逸及脫硝效率的降低。因此,SCR系統(tǒng)的最佳氨氮比應在保證最佳脫硝效率的基礎上,有效控制NH3的逃逸量,依照現(xiàn)場測試結果進行確定。

        4 結語

        在實際運行的SCR系統(tǒng)中,反應活性起到重要的作用,反應活性直接決定了脫硝效率。影響反應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活性劑脫硝效率,應綜合考慮各個方面的因素,選取達到最佳脫硝效率的反應參數(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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