SCR煙氣脫硝效率及催化劑活性的影響因素分析
摘要：燃煤電廠是我國電力資源的主要來源，對于我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。燃煤過程中容易產(chǎn)生許多環(huán)境污染物。氮氧化物是燃煤過程中產(chǎn)生的污染物之一，其對酸雨、溫室效應、光化學反應等都具有影響，嚴重污染環(huán)境。本文對燃煤煙氣中氮氧化物脫除的技術選擇性催化還原法(SCR)進行分析，對SCR技術的原理和發(fā)生過程進行分析，并對催化劑效率的影響因素進行探討，為SCR技術研究和實踐應用提供參考。
我國的一次能源中有70%-80%的能源是由煤炭提供，尤其是電力資源。目前，我國電網(wǎng)中的電力資源絕大部分是通過燃煤電廠提供，煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生大量的污染物。氮氧化物(NOx)是在煤炭燃燒中產(chǎn)生的，相關的研究已經(jīng)證實NOx對環(huán)境具有較大的影響，不僅和酸雨、光化學煙霧有關，同時也是誘導溫室效應和光化學反應的主要物質。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，燃燒1t的煤炭可以產(chǎn)生約20-30kg的氮氧化物。因此，采取相關的措施減少電廠NOx的排放量對于改善環(huán)境具有重要的影響。減少氮氧化物的排放的主要途徑可以分為兩大方面：其一改善燃煤結構，燃燒優(yōu)質煤，從源頭降低NOx生成。其二，通過氧氣脫硝裝置吸收或者還原氧氣中的NOx。本文主要針對第二種方式進行說明。
氧氣脫硝方法是目前國際上使用較多的用于減少環(huán)境中NOx的方法。具有很高的脫硝率，符合環(huán)保指標排放要求。在使用的所有方法中，選擇性催化還原脫硝法(SCR)的脫硝效率可以達到90%以上，具有較好的應用前景。目前，此技術相關的專利都屬于國外，我國在相關的技術和設備的應用市場占有率較低，為了提升我國對于SCR的研究水平，進行SCR煙氣脫硝分析是十分必要的。本文主要針對SCR煙氣脫硝技術展開，首先介紹了SCR煙氣脫硝的基本原理和控制步驟，進而對影響脫硝催化劑效率的因素進行探討分析。
2SCR煙氣脫硝基本原理
SCR煙氣脫硝技術就是利用還原劑選擇性地將煙氣中的NOx反應生成對環(huán)境無害的無機小分子物質氮氣和水。
SCR煙氣脫硝技術中應用的還原劑一般為碳氫化合物，應用較多的是氨氣，氨氣作為還原劑的條件下，主要發(fā)生的反應如下：
由于燃煤煙氣中的NOx主要為NO，因此SCR煙氣脫硝反應中主要發(fā)生上述的第一個反應。在沒有催化劑的條件下，NOx和NH3也可以發(fā)生化學反應，不過只能在相對較窄的溫度范圍內進行，一般在930℃左右。通過選擇合適的催化劑，有效的降低反應溫度，提升反應的效率，在使用催化劑的條件下，上述反應可以在電廠的合適溫度范圍內反應(300℃-400℃)。SCR煙氣脫硫過程除了存在上述反應過程，還會發(fā)生以下副反應。
上述副反應的存在會對SCR技術的脫硝效率產(chǎn)生一定的影響，降低催化劑的選擇性和收率。
3SCR煙氣脫硝過程的控制步驟
SCR煙氣脫硫的反應過程主要包含以下幾個階段：
(1)外擴散過程。外擴散即反應物逐漸向催化劑外表面擴散的過程.即氮氧化物和氨氣從氣相主體中擴散到催化劑外表面的過程。
(2)內擴散過程。催化劑的活性中心一般存在于催化劑的內表面上，因此反應物需要在內表面的活性中心吸附才能發(fā)生反應。反應物質從催化劑外表面向內表面擴散的過程為內擴散過程。
(3)吸附過程。反應物在活性中心吸附的過程。
(4)催化反應。吸附在活性中心的反應物，在催化劑活性中心和一定溫度下發(fā)生催化反應，氮氧化物分解生成氮氣和水。
(5)脫附過程。反應產(chǎn)物從活性中心脫離的過程。
(6)內擴散過程。反應產(chǎn)物從活性中心脫附后通過催化劑的內表面向外表面擴散的過程。
(7)外擴散過程。反應產(chǎn)物從催化劑外表面向氣相主體中進行擴散傳質的過程。
以上七個步驟可以分為三大類：外擴散、內擴散及表面反應(吸脫附反應較快)。外擴散主要與氣相主體的流速有關，影響床層流速的宏觀原因主要有床層積灰，加強吹灰操作可以有效降低床層積灰現(xiàn)象，降低積灰對流速影響。但如果存在較大的積灰不容易被吹走，如果不能進行有效處理，會引起催化劑床層塌垮。內擴散主要與催化劑的孔道結構有關，主要是由催化劑的制備和設計影響，催化劑設計和制備不合理，可能加大內擴散的影響。而表面反應主要與催化劑性質及反應溫度有關，主要與參數(shù)的調節(jié)和催化劑制備過程有關。在實際過程中，如果不能進行有效的處理，內外擴散和表面反應都有可能成為整個反應過程的控制步驟
4SCR煙氣脫硝效率和催化劑活性的主要影響因素
SCR煙氣脫硫能力的主要指標是脫硝的效率。脫硫效率的主要影響因素有反應溫度、煙氣中氨氣和氮氧化物的比例、空速、氮氧化物濃度等。
(1)反應溫度的影響
反應溫度對于催化劑的效率和活性都存在聯(lián)系，催化劑的效率和活性隨溫度的變化規(guī)律一致，即均在200℃-400℃之間隨溫度增加而增加，在200-300溫度范圍區(qū)間的增長速度最快，活性和效率均在400℃時達到最大值。而溫度大于400℃時，活性和效率均降低。
(2)氨氮摩爾比的影響
氨氮摩爾比是評價SCR工藝經(jīng)濟性的技術指標。在相同的脫硝效率下，氨氮摩爾比越大，其經(jīng)濟性越低。圖1是脫硝效率與氨氮摩爾比的關系，圖中看出，隨著氨氮摩爾比的增加，脫硝效率先增加而后降低，最大值處在氨氮摩爾比為1.05的位置。至于氨氣的逃逸率，在氨氮摩爾比小于1時，逃逸率的變化幅度較小，氨氮摩爾比大于1時，逃逸率的變化呈現(xiàn)拋物線函數(shù)增加。因此，一般情況下，氨氮的摩爾比一般設置在0.9-1.05的范圍內。
圖1脫硝效率與氨氮摩爾比的關系
(3)NOx濃度的影響
氨氣含量不變的情況下，煙氣脫硝效率隨著NOx濃度的升高而降低。氨氣含量不變，氮氧化物含量增加使得氮氧化物的摩爾比下降，導致最終的效率下降。
(4)空速的影響
空速是化學反應的動力學指標，關乎催化劑的處理能力。空速即單位時間內處理的氣體體積量與催化劑裝填體積的比例。脫硝效率隨著空速的增加而逐漸降低？账僭黾樱磻镌诜磻髦械谋Ａ魰r間較短，反應不充分，導致效率下降。
5結語
煙氣中氮氧化物對于環(huán)境存在嚴重的影響，電廠進行煙氣脫硝對于環(huán)境保護和提升企業(yè)的社會責任都具有積極的作用。通過對SCR煙氣脫硝技術的概述，可以有效地為SCR技術的研究和實踐應用提升參考。
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