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。
! I. S# r" s' O. V8 w$ b) X7 P- R Q& ^2 F/ ?/ |: S
8 N, L% d' Z, A' Y
1 选择性催化还原法(SCR)工艺( T4 R. d8 x6 r: Q
) O/ D- X3 `4 H- ZSCR(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。$ [- [7 l, h2 C: w
+ Q- `9 ^& g z* @& H+ F9 Z
通常情况下NH3-SCR反应的主反应如下:8 [* x* {9 p" L3 k
- S1 e1 l: ~, O7 q, u( S4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O3 u% f0 H" T5 {( `0 k3 ~
1 o; S$ i. M; K: [; @9 G6 H! ^
4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O; D7 e8 g! n4 [7 a- D7 G
- C! H# a2 v' ]+ F7 f5 B' ~4NH3+6NO→5N2+6H2O/ P" b r# Y7 n3 q- ?
5 H( }' K" F- X5 ?2 _; F) |+ V8NH3+6NO2→7N2+12H2O
2 i! j1 y$ @' b/ j
. D r0 X9 W+ B) x/ o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。
! b4 ~# c* \& t! S. \4 n
9 M. t1 O X7 i( m5 m2 SCR脱硝对催化剂的要求
7 Y; R t5 b! o( h
' r, R" Q: j7 t B- m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。' D2 O9 Z- h+ v9 E% ^! `
' k/ C- _9 Y0 A! {4 {9 i2 Z/ L3 |
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。
9 i6 Q+ D# U# W1 B1 B, i
+ f$ Y/ G9 G3 P2.1 比表面积
2 L0 G) U6 G, f6 O% u1 y" r3 ^" N i3 ]9 [4 \
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。
I }* b& q3 ~* c( r" D3 u- s7 ]' S6 H4 T. ]+ [3 ~
2.2 孔隙率
. N7 |/ O" ]! N7 y3 ?5 Z6 w; J* J
7 E$ a; H/ L0 c4 F+ ~; C. r& ~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。" w4 |$ ~; e/ g2 H; B
, _5 F/ j; J7 j- E% u5 Y2.3 平均孔径及孔径分布
. c1 c4 u# v, y4 C. L, A
7 g, N* Z: l: M% I( ^$ u: K1 Q( O" h' N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。- S; o. J. d3 h
' l5 v4 [4 |0 O" T1 r- n0 e% G/ u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。
2 H. q a3 s, s% Y4 ?8 r# h; D$ G5 w8 F; F1 d
(1)在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。3 k* H; a( ` d5 ?9 _8 I3 b c
+ J$ S+ n! ~! {" u2 ~5 n
(2)具有较高的选择性。" _$ {( W( A% O, I
+ m9 M& t% {: d; c/ V
(3)较稳定,难以和反应物或其他物质发生反应。) M. m" [8 W, ]+ O
+ N* f; G: w$ D+ [6 k
(4)当温度明显上升时,能够保持良好的热稳定性。& j8 ` e3 }& K5 p/ |! n; l$ [
+ P9 ^+ J5 q, z# v! w- V1 c& U; A8 @
(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 H; i) T2 V& w3 j6 r6 W0 s( n; n$ g
0 i# L- R) {6 X8 W' u3 U( ](6)受压力影响小,使用寿命长。
- S" {1 D, X i3 d5 v9 D+ Z
0 U0 n, L& y! I# t; G3 SCR反应活性的影响因素4 y R G/ ^: [
7 T1 H, D( {, Z0 W
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。
- S# [5 t9 k7 ~/ Z9 L
! h) U) `& q. n% _0 ]3.1 气时空速对反应活性的影响! X$ q* A, X. F8 X, `% y9 O5 M Y
* J0 x7 J. e3 }- |
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。* V, k l1 C3 Z h# Z2 \) {5 ~
4 m9 G+ B+ g& w5 E+ D! R3.2 温度对反应活性的影响
# }9 @ l% X/ g" A" C# x5 R8 o
: `* n/ D6 N, [) h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 T \; d: a5 n3 w
$ c1 i x+ z8 @: | n8 s1 z3.3 氨氮比对反应活性的影响
' l% i* I8 s+ J; r) C; X3 ~ d6 R( E$ O
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& ^9 h( V2 o0 I9 U/ D5 A
/ x0 O& Q1 D) {: `. M1 W, P. r
|
© 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。
|