脫硝催化劑脫硝效率的影響因素研究

李紅波 翁驥 李小海 徐旭升 李倩 鄒海峰

摘 要：隨著“十二五”期間國(guó)家對(duì)氮氧化物排放控制要求的進(jìn)一步提高，選擇性催化還原法（SCR）被廣泛地應(yīng)用于火電廠的煙氣脫硝。催化劑在電廠運(yùn)行狀況的好壞直接影響著電廠的脫硝性能。該文介紹了催化劑在實(shí)驗(yàn)室條件下，NH3/NO摩爾比、反應(yīng)溫度、催化劑空間速度以及含水量對(duì)脫硝效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)脫硝效率隨著NH3/NO摩爾比和溫度的升高而升高，隨著含水量和空間速度的下降而降低。

關(guān)鍵詞：脫硝催化劑 脫硝效率 影響因素 研究

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0020-02

選擇性催化還原（SCR，Selective Catalytic Reduction）法目前是世界上最主流的NOX脫除方法[1]。以NH3作為還原劑，V2O5/TiO2作為催化劑主要成分來脫除燃煤電廠產(chǎn)生的NO的工藝比較成熟，也是目前唯一能在氧化氣氛下脫除NO的實(shí)用方法。

目前，脫硝催化劑在燃煤電廠的運(yùn)行受到很多因素的影響，脫硝效率不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。例如NH3/NO摩爾比、反應(yīng)溫度、催化劑空間速度、O2濃度、NO初始濃度等[2-4]。

該文以實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下影響脫硝催化劑脫硝效率的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。

1 材料與方法

1.1 材料

商用脫硝催化劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

1代表質(zhì)量流量計(jì)；2代表氣體混合器；3代表預(yù)熱爐；4代表反應(yīng)器；5代表NH3吸收瓶；6代表煙氣分析儀；7代表數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；8代表尾氣吸收系統(tǒng)。

脫硝催化劑活性測(cè)試評(píng)價(jià)裝置，裝置流程圖如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD分析

圖2a是新催化劑的XRD譜圖，圖2b是在電廠高溫運(yùn)行后的催化劑的XRD譜圖。從圖2a中可以看出，樣品的結(jié)構(gòu)為銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，沒有金紅石相的存在，同時(shí)也沒有檢測(cè)到V2O5和MoO3其他物質(zhì)的存在，說明催化劑的活性物質(zhì)和助劑等均勻分散在催化劑載體TiO2表面，沒有形成團(tuán)聚。圖2b是高溫運(yùn)行后的催化劑的XRD譜圖。從圖中可以看出，在高溫運(yùn)行條件下，部分催化劑的載體TiO2由銳鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為金紅石結(jié)構(gòu)。這主要是由于銳鈦礦TiO2不是十分穩(wěn)定，在一定的溫度條件下，會(huì)轉(zhuǎn)化為金紅石型的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

2.2 化學(xué)成分分析

通過對(duì)脫硝催化劑的化學(xué)成分分析（表1），發(fā)現(xiàn)脫硝催化劑的主要化學(xué)成分是TiO2，含量為82.31%，與XRD譜圖的結(jié)果相一致。除了含有TiO2以外，催化劑中還含1.60%的活性成分V2O5和2.42%的催化劑助劑MoO3。

2.3 NH3/NO摩爾比對(duì)脫硝效率的影響

在反應(yīng)溫度為370℃，NOx濃度為400 ppm的條件下，催化劑脫硝效率隨NH3/NO摩爾比變化的關(guān)系曲線圖如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)NH3/NO摩爾比<1時(shí)，催化劑的脫硝效率隨著NH3/NO摩爾比的增加而增加。當(dāng)NH3/NO摩爾比>1時(shí)，催化劑的脫硝效率隨著NH3/NO摩爾比變化的趨勢(shì)趨于平緩，不在隨著NH3/NO摩爾比的增加而增加。這主要與NH3在催化劑表面的吸附量有關(guān)。當(dāng)NH3濃度較低時(shí)，增加NH3濃度可以增加催化劑表面上的NH3吸附量，從而加快了SCR的反應(yīng)速率。而當(dāng)NH3濃度達(dá)到一定時(shí)，NH3在催化劑表面的吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，NO轉(zhuǎn)化率和催化劑反應(yīng)速率將保持穩(wěn)定。因此在一定的NO濃度條下，NH3濃度的增加可以提高催化劑的反應(yīng)速率，而當(dāng)NH3/NO摩爾比≥1時(shí)，氨氣濃度增加對(duì)反應(yīng)速率影響不大[6]。

2.4 空間速度對(duì)脫硝效率的影響

在反應(yīng)溫度為370℃，NH3/NO摩爾比=1，反應(yīng)器入口NOx的濃度為400 ppm的條件下，催化劑的脫硝效率與空間速度之間的關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出，隨著反應(yīng)器空間速度的增加，脫硝效率呈下降趨勢(shì)。

在低空速較低的條件下，有利于煙氣中的NOx與NH3由氣相邊界層擴(kuò)散至催化劑外表面、由催化劑外表面擴(kuò)散至催化劑微孔結(jié)構(gòu)和在催化劑活性位上化學(xué)吸附與氧化還原反應(yīng)過程的進(jìn)行，使得脫硝反應(yīng)完成更充分[6]。

2.5 含水量對(duì)脫硝效率的影響

圖5為含水量對(duì)催化劑脫硝效率的影響，煙氣成分為400 ppm NO，400 ppm NH3，5%O2，反應(yīng)溫度為370℃。從圖中可以看出，水對(duì)催化劑的脫硝效率有抑制作用。在沒有或者水很少的條件下，催化劑的脫硝效率為83.7%，隨著加入水加入量的增加，脫硝效率逐漸下降，在含水量為8%時(shí)NO轉(zhuǎn)化率降至78%。當(dāng)含水量超過8%時(shí)，含水量的增加對(duì)脫硝效率影響趨于平緩。這主要是由于煙氣中的水蒸氣含有大量的OH-，與NH3產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附從而占據(jù)部分催化劉上的酸性位，使NH3與活性位的接觸機(jī)會(huì)減少，從而導(dǎo)致了反應(yīng)速率的降低。當(dāng)水含量>8%后，水在催化劑表面上的吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，繼續(xù)增加水含量不會(huì)增加催化劑表面對(duì)水的吸附量，因此水蒸氣含量對(duì)催化劑的活性影響不大。對(duì)于實(shí)際電站鍋爐而言，煙氣中水蒸氣的含量一般>8%，此時(shí)水蒸氣對(duì)催化劑的活性有一定的抑制作用，但水蒸氣含量的變化對(duì)催化劑活性影響不大。

2.6 溫度對(duì)脫硝效率的影響

圖6是脫硝效率隨著溫度變化的曲線圖。從圖中可以看出，在260～350℃范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，催化劑的脫硝效率明顯升高。當(dāng)溫度在350～400℃范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的升高，催化劑的脫硝效率升高的不明顯。隨著反應(yīng)溫度的升高，催化劑的活性逐漸提高，催化劑的脫硝效率逐漸升高。當(dāng)反應(yīng)溫度超過420℃時(shí)，催化劑的脫硝效率有下降的趨勢(shì)。主要是由于反應(yīng)溫度的升高，導(dǎo)致部分催化劑的載體發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變，從銳鈦礦轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石，從而導(dǎo)致催化劑的脫硝效率下降[7]。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊冬，徐鴻.SCR煙氣脫硝技術(shù)及其在燃煤電廠的應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù)，2007，23（1）：49-52.

[2] Miyamoto，A.Inomata，M.Yamazaki，Y.，et al.Mechanism of the reaction between NO and NH3 on V2O5 in the presence of oxygen[J].Journal of Catalysis，1979（57）：526-527.

[3] Guido Busca，Luca Lietti， Gianguido Ramis，et al.Chemical and mechanism aspects of the selective catalytic reduction of NOx by ammonia over oxide catalysts：a review[J].Applied Catalysis B，1998（18）：1-36.

[4] 杜云貴，吳其榮，鄧佳佳，等.SCR煙氣脫硝催化劑的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模擬研究[J].熱力發(fā)電，2010（39）：52-55.

[5] Topsoe，N.Y，Topsoe，H.，Dumesic，J.H.Vanadia/Titania catalysts for selective catalytic reduction（SCR）of nitric-oxide by ammonia：1.combined temperature-programmed in-situ FTIR and on-line mass-spectroscopy studies[J].Journal of Catalysis，1995（151）：226-240.

[6] 高巖.選擇性催化還原脫硝催化劑的實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

[7] 毛建宏.大型電站鍋爐SCR煙氣脫硝系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.