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SCR反应催化剂的要求及影响因素研究

2017-11-07信息来源 : 科技创新导报
  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(SelectiveCatalyticReduction)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。

  2SCR反应对催化剂的要求

  选择哪一种催化剂,很大程度上决定了SCR反应的脱硝效率。选择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。
 
  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。
 
  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。
 
  3SCR反应活性的影响因素
 
  SCR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:(1)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;(4)反应产物离开催化剂内表面;(5)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SCR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NOx、NH3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SCR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。
 
  3.2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,SCR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。
 
  3.3氨氮比对反应活性的影响
 
  氨氮比指的是参与反应的NH3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N2和H2O。若氨氮比小于1,反应后还有部分Nox残留,此时会影响到脱硝的效果。当氨氮比大于1时,过量的NH3会与烟气中的氧气、SO2、SO3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NH3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SCR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。更多环保技术,请关注第一环保网(www.d1ep.com)。