脱硫脱硝 研究:SCR脱硝催化剂要求及影响因素 [复制链接]

1569 0
京东
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。
' y9 X3 Z0 e& N6 ^8 ~8 A
9 C: u0 U1 u/ S$ y' m0 r7 i. N. Z$ n7 `* l  Y6 s& q/ \! ]% `% F
1 选择性催化还原法(SCR)工艺
$ M3 I8 g- U  `/ X  U, a+ T8 S2 u; M; J! J; r0 m6 ?1 B
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。
' H. C! _, @5 V' d7 D6 p6 @' x  @5 B1 k3 @$ r1 v
通常情况下NH3-SCR反应的主反应如下:
1 t. x: P& S1 R- J6 x; O4 F- y" j% _
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
. A) s5 H/ S4 o6 r1 }3 U1 ?2 `: o# p) T1 R2 q1 ~; k% F. a+ Q
4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O* M4 n% \0 q: e0 A- m3 Y

- l/ h1 I+ ?1 J# p) G8 f4NH3+6NO→5N2+6H2O! h1 P$ u( k; K  M. |+ t# N) |

& L0 g1 z! \4 g4 }, E8NH3+6NO2→7N2+12H2O8 U% P& {4 e6 V/ r

: L! }( x3 w4 |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。; @5 d% b# m9 i* V! k. i1 R9 Q# F' q

' F( Z1 I' Q- @  M$ U# w7 v; l2 SCR脱硝对催化剂的要求
& t4 s7 ?& @1 v! z$ x) d6 c/ t6 S. \/ z: y1 u/ J
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 i4 q  d, I$ k
  j  s  q9 Z8 C  G+ j0 r5 n  N5 x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。4 ~% Q+ A) H( D4 o& o
  k( C" e5 j5 ]7 ^: R" @
2.1 比表面积
$ ]# ]9 E& q& M- ?- N) a' {- B5 P% Y+ E# _& d# g! A
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。
, w. U, E' i  y% ^
" P  p2 X  _- ~. H" l+ J2.2 孔隙率
+ v: T1 H4 _& G3 T' x& u. c% G% Q7 P8 w
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。  l' E" u, B. o/ C& ?! w

. t# _0 \; w# o0 n- D: ~; e! n( `2.3 平均孔径及孔径分布9 P2 P% C, x5 c+ i) D% e

$ j2 v" U  t. g' i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。! o& x' T* h8 C6 _7 H# i& M

8 N/ M+ M- L" g) D9 {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。. E, c+ C+ N0 e$ i
  W# L8 J0 L& Z( @
(1)在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。
: N8 L7 a/ s* f+ y% b6 F
% l( `0 r/ Y8 e(2)具有较高的选择性。
: h0 I* c, }& _7 Q6 K0 Y
5 Z9 _6 z, w# R( ?! ?4 M" a. X(3)较稳定,难以和反应物或其他物质发生反应。
9 C9 a7 u" C, S" O; K3 K, }6 `
% `/ d, ]$ B6 g' o(4)当温度明显上升时,能够保持良好的热稳定性。/ d2 B5 [  {1 e1 x$ N6 X8 y, H

) u( `- w! N" X# t; _6 e(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。+ _8 H0 S9 v8 h* S5 X
  j+ G$ \; ?4 c5 i# T; S$ R
(6)受压力影响小,使用寿命长。
" _7 d+ X4 T( W: F  g/ f' S9 d9 w: e- M4 R3 W5 h
3 SCR反应活性的影响因素$ t; k3 n4 b7 S" c, E+ ~# n# i

# S% `* w& J6 \2 w* E  E7 _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。% a; K7 ~  s9 ~9 F; p6 a& H
. C; k: B2 ]: h/ a0 s$ n
3.1 气时空速对反应活性的影响
" o4 V  m2 i- o/ U1 c7 ~" v+ F& e! j9 Q) C# I2 A
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。# k5 N, F$ z: k- P0 M7 b

) d  V" S+ F! b. G3.2 温度对反应活性的影响
' B9 j. u3 M) p+ G+ \1 v6 M. F- F, T4 v: H+ y* o
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。' Q3 U# Z4 l; W7 d  S

& E0 {' I+ f% B1 q3.3 氨氮比对反应活性的影响
, P- m, m/ `( k2 _0 w5 A8 Y# B, \% ?+ l. l
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, [( O6 M6 ]0 z

! z. A5 @3 J. z7 v8 h3 q

© 声明:本文仅表作者或发布者个人观点,与环保之家[2TECH.CN]无关。其原创性及陈述文字、内容、数据及图片均未经证实,对本文及其全部或部分内容、图片、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺,仅做参考并自行核实。如有侵权,请联系我们处理,在此深表歉意。

举报 使用道具 回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 中文注册

本版积分规则

浏览过的版块

更多

客服中心

2121-416-824 周一至周五10:30-16:30
快速回复 返回顶部 返回列表
现在加入我们,拥有环保之家一站式通行证!马上 中文注册 账号登陆