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SCR烟气脱硝效率及催化剂活性的影响因素分析

    摘要:燃煤电厂是我国电力资源的主要来源,对于我国经济发展具有重要作用。燃煤过程中容易产生许多环境污染物。氮氧化物是燃煤过程中产生的污染物之一,其对酸雨、温室效应、光化学反应等都具有影响,严重污染环境。本文对燃煤烟气中氮氧化物脱除的技术选择性催化还原法(SCR)进行分析,对SCR技术的原理和发生过程进行分析,并对催化剂效率的影响因素进行探讨,为SCR技术研究和实践应用提供参考。 

    我国的一次能源中有70%-80%的能源是由煤炭提供,尤其是电力资源。目前,我国电网中的电力资源绝大部分是通过燃煤电厂提供,煤炭在燃烧过程中产生大量的污染物。氮氧化物(NOx)是在煤炭燃烧中产生的,相关的研究已经证实NOx对环境具有较大的影响,不仅和酸雨、光化学烟雾有关,同时也是诱导温室效应和光化学反应的主要物质。据相关数据统计显示,燃烧1t的煤炭可以产生约20-30kg的氮氧化物。因此,采取相关的措施减少电厂NOx的排放量对于改善环境具有重要的影响。减少氮氧化物的排放的主要途径可以分为两大方面:其一改善燃煤结构,燃烧优质煤,从源头降低NOx生成。其二,通过氧气脱硝装置吸收或者还原氧气中的NOx。本文主要针对第二种方式进行说明。

    氧气脱硝方法是目前国际上使用较多的用于减少环境中NOx的方法。具有很高的脱硝率,符合环保指标排放要求。在使用的所有方法中,选择性催化还原脱硝法(SCR)的脱硝效率可以达到90%以上,具有较好的应用前景。目前,此技术相关的专利都属于国外,我国在相关的技术和设备的应用市场占有率较低,为了提升我国对于SCR的研究水平,进行SCR烟气脱硝分析是十分必要的。本文主要针对SCR烟气脱硝技术展开,首先介绍了SCR烟气脱硝的基本原理和控制步骤,进而对影响脱硝催化剂效率的因素进行探讨分析。

    2·SCR烟气脱硝基本原理

    SCR烟气脱硝技术就是利用还原剂选择性地将烟气中的NOx反应生成对环境无害的无机小分子物质氮气和水。

    SCR烟气脱硝技术中应用的还原剂一般为碳氢化合物,应用较多的是氨气,氨气作为还原剂的条件下,主要发生的反应如下:

    由于燃煤烟气中的NOx主要为NO,因此SCR烟气脱硝反应中主要发生上述的第一个反应。在没有催化剂的条件下,NOx和NH3也可以发生化学反应,不过只能在相对较窄的温度范围内进行,一般在930℃左右。通过选择合适的催化剂,有效的降低反应温度,提升反应的效率,在使用催化剂的条件下,上述反应可以在电厂的合适温度范围内反应(300℃-400℃)。SCR烟气脱硫过程除了存在上述反应过程,还会发生以下副反应。

    上述副反应的存在会对SCR技术的脱硝效率产生一定的影响,降低催化剂的选择性和收率。

    3·SCR烟气脱硝过程的控制步骤

    SCR烟气脱硫的反应过程主要包含以下几个阶段:

    (1)外扩散过程。外扩散即反应物逐渐向催化剂外表面扩散的过程.即氮氧化物和氨气从气相主体中扩散到催化剂外表面的过程。

    (2)内扩散过程。催化剂的活性中心一般存在于催化剂的内表面上,因此反应物需要在内表面的活性中心吸附才能发生反应。反应物质从催化剂外表面向内表面扩散的过程为内扩散过程。

    (3)吸附过程。反应物在活性中心吸附的过程。

    (4)催化反应。吸附在活性中心的反应物,在催化剂活性中心和一定温度下发生催化反应,氮氧化物分解生成氮气和水。

    (5)脱附过程。反应产物从活性中心脱离的过程。

    (6)内扩散过程。反应产物从活性中心脱附后通过催化剂的内表面向外表面扩散的过程。

    (7)外扩散过程。反应产物从催化剂外表面向气相主体中进行扩散传质的过程。

    以上七个步骤可以分为三大类:外扩散、内扩散及表面反应(吸脱附反应较快)。外扩散主要与气相主体的流速有关,影响床层流速的宏观原因主要有床层积灰,加强吹灰操作可以有效降低床层积灰现象,降低积灰对流速影响。但如果存在较大的积灰不容易被吹走,如果不能进行有效处理,会引起催化剂床层塌垮。内扩散主要与催化剂的孔道结构有关,主要是由催化剂的制备和设计影响,催化剂设计和制备不合理,可能加大内扩散的影响。而表面反应主要与催化剂性质及反应温度有关,主要与参数的调节和催化剂制备过程有关。在实际过程中,如果不能进行有效的处理,内外扩散和表面反应都有可能成为整个反应过程的控制步骤

    4·SCR烟气脱硝效率和催化剂活性的主要影响因素

    SCR烟气脱硫能力的主要指标是脱硝的效率。脱硫效率的主要影响因素有反应温度、烟气中氨气和氮氧化物的比例、空速、氮氧化物浓度等。

    (1)反应温度的影响

    反应温度对于催化剂的效率和活性都存在联系,催化剂的效率和活性随温度的变化规律一致,即均在200℃-400℃之间随温度增加而增加,在200-300温度范围区间的增长速度最快,活性和效率均在400℃时达到最大值。而温度大于400℃时,活性和效率均降低。

    (2)氨氮摩尔比的影响

    氨氮摩尔比是评价SCR工艺经济性的技术指标。在相同的脱硝效率下,氨氮摩尔比越大,其经济性越低。图1是脱硝效率与氨氮摩尔比的关系,图中看出,随着氨氮摩尔比的增加,脱硝效率先增加而后降低,最大值处在氨氮摩尔比为1.05的位置。至于氨气的逃逸率,在氨氮摩尔比小于1时,逃逸率的变化幅度较小,氨氮摩尔比大于1时,逃逸率的变化呈现抛物线函数增加。因此,一般情况下,氨氮的摩尔比一般设置在0.9-1.05的范围内。

    (3)NOx浓度的影响

    氨气含量不变的情况下,烟气脱硝效率随着NOx浓度的升高而降低。氨气含量不变,氮氧化物含量增加使得氮氧化物的摩尔比下降,导致最终的效率下降。

    (4)空速的影响

    空速是化学反应的动力学指标,关乎催化剂的处理能力。空速即单位时间内处理的气体体积量与催化剂装填体积的比例。脱硝效率随着空速的增加而逐渐降低。空速增加,反应物在反应器中的保留时间较短,反应不充分,导致效率下降。

    5·结语

    烟气中氮氧化物对于环境存在严重的影响,电厂进行烟气脱硝对于环境保护和提升企业的社会责任都具有积极的作用。通过对SCR烟气脱硝技术的概述,可以有效地为SCR技术的研究和实践应用提升参考。

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