脱硫脱硝 研究：SCR脱硝催化剂要求及影响因素

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。
+ X- f4 q+ W8 p' `! F
+ t$ p- D5 w( X0 c$ r, I% h
1 选择性催化还原法（SCR）工艺
9 a/ ?% r$ Z5 s2 C( Z
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。
9 w# `) s# b3 r+ [
通常情况下NH3-SCR反应的主反应如下：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

+ V) {$ F3 G3 w8 N4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O
! ~5 J7 H/ `; J3 Q/ T
4NH3+6NO→5N2+6H2O
( M9 m0 x- C2 d% P- l4 t
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。
$ ?; [" T$ D; \! l; i, v: r
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。
4 b5 b0 v6 b- H( F, _& N
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
& g1 g8 S8 p; ^2 e, K3 U
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。
, s; k3 B; I8 Q% j$ r0 I" ~: f
- D4 i. F* w1 K2.2 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。

' M* c; k3 H2 c8 v2.3 平均孔径及孔径分布

9 {# z0 F: J' S5 \# M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。

6 G* i8 l: G! w  ?$ ?; B# t2 `) A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。
5 H* x; R2 D, G5 @/ E
（1）在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。
$ L+ M4 l% `: H' q! u& N3 r
" S2 P5 H+ X: y& i; Y（2）具有较高的选择性。
& H, }/ |* ]- W$ m: ]
' b% N+ [9 V5 ^$ k3 Q5 h（3）较稳定，难以和反应物或其他物质发生反应。

2 \. q  S% h' e9 D! }（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。

' t# z  F* a/ f（6）受压力影响小，使用寿命长。
$ B/ H6 u$ s6 E6 @  r, R7 G
3 SCR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。
8 w  ?" k, \6 P, w0 p! J* h
3.1 气时空速对反应活性的影响
; ~7 ?' x4 M7 ~4 h* K
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

1 X- z4 U9 x- ]8 q6 V& d; N* K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。来源:科技创新导报  作者:闫瑞宁
" h0 h6 ]/ ~3 C$ j
4 |. D+ x9 b# V/ {