SCR脱硝催化剂的要求及影响因素研究

SCR脱硝催化剂的要求及影响因素研究 摘要：导致大气污染的原因有很多,火力发电形成的氮氧化物（ox）即为其中之一,这一问题得到了广泛的关注。在诸多O排放控制技术中,选择性催化还原（SC)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(N)、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（NO)、三氧化二氮(N2O3）等。Nx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，O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NO的生成机理以及脱除经验，通常将其分为类:（)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Ox排放控制技术中，选择性催化还原法（CR）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CR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CR(Selective talyReduti）技术由美国egelhard公司发明,日本率先在2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NH作为还原剂对气体进行脱硝处理,处理过程是通过H3和Ox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No反应而不是O2。通常情况下NH3SCR反应的主反应如下：4H+4NO+O2462ONH3+2NO+23N+6H243+6NON2+62O836NO27N2+2H2另外C、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Ox的摩尔比例，可以得到0%以上的脱硝率。SC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SR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. 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，SC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。. 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。2.3 平均孔径及孔径分布比孔体积和比表面积的比值即为平均孔径。孔径分布则是衡量催化剂中各种孔隙分布状况的重要指标。当反应物的分子进入孔隙并在其中运动时，若孔径分布不均匀，催化剂的活性将会因此而降低。因此，要实现最可观的催化活性，要尽量使催化剂中的孔径均匀地分布。通过上述分析可知，在为SCR反应选择催化剂种类时,需要考虑以下6点。(1)在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。（2）具有较高的选择性。(3）较稳定，难以和反应物或其他物质发生反应。（4）当温度明显上升时，能够保持良好的热稳定性。（5)机械稳定性好，在部分磨损的情况下依旧保持良好的活性。(6）受压力影响小，使用寿命长。3 SCR反应活性的影响因素R反应从机理上是多相催化反应,多相催化反应的反应步骤大体分为如下五步:（）反应物分子随着气流运动,不断地向催化剂表面及孔内扩散；（2）吸附在催化剂内表面；（3)和气相分子发生反应;（）反应产物离开催化剂内表面；()产物进入到孔隙中并随着气流逸散。反应物首先经过外扩散和内扩散的传质过程,随后在催化剂表面经过化学反应过程完成化学反应过程。传质过程的速率，主要是由催化剂结构以及流体流型所决定；化学反应的速率，主要由催化剂的外观结构、性质以及反应环境所决定。下面对影响R反应效率的主要影响因素进行简要说明。3.1 气时空速对反应活性的影响气时空速一般是指单位体积的催化剂在单位时间内所处理的气体量，反映了烟气与催化劑表面的接触时间。低空速会促进反应物分子NO、NH移动到催化剂的外部和孔隙中,这对脱硝反应的进行是非常有利的,但在一定程度上阻碍反应产物离开催化剂。高空速可以使反应产物能够在更短的时间内离开催化剂,但会抑制反应物的吸附和孔隙内的运动，使脱硝反应速度降低。此外,低空速需要C系统中布置更大体积的催化剂，增加系统的成本投入。所以，在实际操作中,要从脱硝效率、脱硝总成本、功耗等多个角度进行全面的考量，选择最合适的空速。3.温度对反应活性的影响实际上，对应于不同烟气组成和催化剂性质的SCR系统均存在一个最佳的反应温度范围。温度过低时，氧化还原反应速率降低,系统的脱硝效率减小;在高温环境下，催化剂可能出现烧结的现象,对脱硝效率造成负面影响。因此,SC系统的最佳反应温度应取决于烟气组成和催化剂性质等因素。33 氨氮比对反应活性的影响氨氮比指的是参与反应的H3和NOx物质的量的比值。在理想条件下，若二者比值为1,即无反应物残留，全部转变成N和HO。若氨氮比小于,反应后还有部分残留,此时会影响到脱硝的效果。当氨氮比大于1时，过量的N3会与烟气中的氧气、S2、S3等发生副反应,导致氨逃逸及脱硝效率的降低。因此，SCR系统的最佳氨氮比应在保证最佳脱硝效率的基础上，有效控制H3的逃逸量,依照现场测试结果进行确定。4 结语在实际运行的CR系统中,反应活性起到重要的作用,反应活性直接决定了脱硝效率。影响反应活性的因素包括了催化剂特性以及空速、温度、氨氮比等。为了得到更好的反应活性剂脱硝效率，应综合考虑各个方面的因素，选取达到最佳脱硝效率的反应参数，更有效地控制氮氧化物的排放,从而保护环境,促进社会和经济的可持续性发展。