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

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