SCR反應(yīng)催化劑的要求及影響因素研究

閆瑞寧

摘 要：導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了工業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用。本文就SCR工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)影響SCR系統(tǒng)反應(yīng)活性以及對(duì)適用于SCR系統(tǒng)的催化劑的要求進(jìn)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(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（a）-0102-02

氮氧化物（NOx）是導(dǎo)致大氣污染的罪魁禍?zhǔn)字唬饕傅氖且谎趸∟O）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、三氧化二氮（N2O3）等。NOx對(duì)人體健康有極大的損害，當(dāng)NOx溶解在雨水中時(shí)會(huì)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(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧，對(duì)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(shí)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(jī)理以及脫除經(jīng)驗(yàn)，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(guó)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(duì)SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)探討在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)和催化反應(yīng)效果有關(guān)的各項(xiàng)因素。

1 選擇性催化還原法（SCR）工藝

SCR（Selective Catalytic Reduction）技術(shù)由美國(guó)Eegelhard公司發(fā)明，日本率先在20世紀(jì)70年代對(duì)此方法實(shí)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(duì)氣體進(jìn)行脫硝處理，處理過程是通過NH3和NOx的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，在合適的溫度環(huán)境下?lián)饺氪呋瘎┐龠M(jìn)反應(yīng)的發(fā)生，形成的產(chǎn)物是無(wú)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(huì)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(dāng)?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(duì)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(qiáng)、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(xiàng)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(duì)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(jī)理的角度來看，SCR反應(yīng)是一種多相催化反應(yīng)，催化劑會(huì)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(biāo)。若將催化劑制作成多孔的結(jié)構(gòu)，其比表面積將會(huì)大幅提高，催化活性增強(qiáng)，脫硝率得到提高。

2.2 孔隙率

物質(zhì)內(nèi)部的孔隙和整個(gè)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(jī)械強(qiáng)度將會(huì)有所降低。因此要綜合考慮催化效率及極限強(qiáng)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(biāo)。當(dāng)反應(yīng)物的分子進(jìn)入孔隙并在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)，若孔徑分布不均勻，催化劑的活性將會(huì)因此而降低。因此，要實(shí)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(shí)，需要考慮以下6點(diǎn)。

（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(dāng)溫度明顯上升時(shí)，能夠保持良好的熱穩(wěn)定性。

（5）機(jī)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(zhǎng)。

3 SCR反應(yīng)活性的影響因素

SCR反應(yīng)從機(jī)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(yùn)動(dòng)，不斷地向催化劑表面及孔內(nèi)擴(kuò)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(jìn)入到孔隙中并隨著氣流逸散。反應(yīng)物首先經(jīng)過外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散的傳質(zhì)過程，隨后在催化劑表面經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)過程完成化學(xué)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(xué)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(duì)影響SCR反應(yīng)效率的主要影響因素進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。

3.1 氣時(shí)空速對(duì)反應(yīng)活性的影響

氣時(shí)空速一般是指單位體積的催化劑在單位時(shí)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(shí)間。低空速會(huì)促進(jìn)反應(yīng)物分子NOx、NH3移動(dòng)到催化劑的外部和孔隙中，這對(duì)脫硝反應(yīng)的進(jìn)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(shí)間內(nèi)離開催化劑，但會(huì)抑制反應(yīng)物的吸附和孔隙內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，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(shí)際操作中，要從脫硝效率、脫硝總成本、功耗等多個(gè)角度進(jìn)行全面的考量，選擇最合適的空速。

3.2 溫度對(duì)反應(yīng)活性的影響

實(shí)際上，對(duì)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(gè)最佳的反應(yīng)溫度范圍。溫度過低時(shí)，氧化還原反應(yīng)速率降低，系統(tǒng)的脫硝效率減小；在高溫環(huán)境下，催化劑可能出現(xiàn)燒結(jié)的現(xiàn)象，對(duì)脫硝效率造成負(fù)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(duì)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(wú)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(shí)會(huì)影響到脫硝的效果。當(dāng)氨氮比大于1時(shí)，過量的NH3會(huì)與煙氣中的氧氣、SO2、SO3等發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)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(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行確定。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際運(yùn)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(gè)方面的因素，選取達(dá)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(hù)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性發(fā)展。

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