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SCR脱硝催化剂的要求及影响因素研究

2020-03-27 08:54:55      点击:
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,选择性催化还原(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系统反应活性以及对适用于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应形成光化学烟雾,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,选择性催化还原法(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应效果有关的各项因素。


1 选择性催化还原法(SCR)工艺


SCR(Selective Catalytic Reduction)技术由美国Eegelhard公司发明,日本率先在20世纪70年代对此方法实现了工业化。大部分的燃煤发电厂选择使用NH3作为还原剂对气体进行脱硝处理,处理过程是通过NH3和NOx的反应实现的,在合适的温度环境下掺入催化剂促进反应的发生,形成的产物是无害的N2。这种方法也被称为选择性催化还原法。原因在于NH3会优先和Nox反应而不是O2。


通常情况下NH3-SCR反应的主反应如下:


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反应中的还原剂。通过使用适当的催化剂并控制还原剂和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反应的脱硝效率。选择脱硝催化剂的基本要求是:活性强、成本低廉、能够多次使用、不形成二次污染等。在这些要求中,最终影响反应的催化活性的最重要的一项则是要具有高活性。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,这些影响体现在催化剂的比表面积、孔隙率、平均孔径及孔径分布等方面。


2.1 比表面积


比表面积指的是单位质量物质的表面积。从反应机理的角度来看,SCR反应是一种多相催化反应,催化剂会将反应物的分子吸附在其表面,创造更好的反应条件,所以比表面积是衡量催化活性的重要指标。若将催化剂制作成多孔的结构,其比表面积将会大幅提高,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。孔径和比表面积均和孔隙率有关。通常情况下,比表面积、催化活性和孔隙率之间呈正相关关系,但若孔隙率太大,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。