摘要：燃煤電廠是我國(guó)電力資源的主要來(lái)源，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。燃煤過(guò)程中容易產(chǎn)生許多環(huán)境污染物。氮氧化物是燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的污染物之一，其對(duì)酸雨、溫室效應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)等都具有影響，嚴(yán)重污染環(huán)境。本文對(duì)燃煤煙氣中氮氧化物脫除的技術(shù)選擇性催化還原法(SCR)進(jìn)行分析，對(duì)SCR技術(shù)的原理和發(fā)生過(guò)程進(jìn)行分析，并對(duì)催化劑效率的影響因素進(jìn)行探討，為SCR技術(shù)研究和實(shí)踐應(yīng)用提供參考。
我國(guó)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(guó)電網(wǎng)中的電力資源絕大部分是通過(guò)燃煤電廠提供，煤炭在燃燒過(guò)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(guān)的研究已經(jīng)證實(shí)NOx對(duì)環(huán)境具有較大的影響，不僅和酸雨、光化學(xué)煙霧有關(guān)，同時(shí)也是誘導(dǎo)溫室效應(yīng)和光化學(xué)反應(yīng)的主要物質(zhì)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(guān)的措施減少電廠NOx的排放量對(duì)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(jié)構(gòu)，燃燒優(yōu)質(zhì)煤，從源頭降低NOx生成。其二，通過(guò)氧氣脫硝裝置吸收或者還原氧氣中的NOx。本文主要針對(duì)第二種方式進(jìn)行說(shuō)明。
氧氣脫硝方法是目前國(guó)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(biāo)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(dá)到90%以上，具有較好的應(yīng)用前景。目前，此技術(shù)相關(guān)的專利都屬于國(guó)外，我國(guó)在相關(guān)的技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用市場(chǎng)占有率較低，為了提升我國(guó)對(duì)于SCR的研究水平，進(jìn)行SCR煙氣脫硝分析是十分必要的。本文主要針對(duì)SCR煙氣脫硝技術(shù)展開(kāi)，首先介紹了SCR煙氣脫硝的基本原理和控制步驟，進(jìn)而對(duì)影響脫硝催化劑效率的因素進(jìn)行探討分析。
2SCR煙氣脫硝基本原理
SCR煙氣脫硝技術(shù)就是利用還原劑選擇性地將煙氣中的NOx反應(yīng)生成對(duì)環(huán)境無(wú)害的無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)氮?dú)夂退?/p>
SCR煙氣脫硝技術(shù)中應(yīng)用的還原劑一般為碳?xì)浠衔?，?yīng)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(yīng)如下：
由于燃煤煙氣中的NOx主要為NO，因此SCR煙氣脫硝反應(yīng)中主要發(fā)生上述的第一個(gè)反應(yīng)。在沒(méi)有催化劑的條件下，NOx和NH3也可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不過(guò)只能在相對(duì)較窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，一般在930℃左右。通過(guò)選擇合適的催化劑，有效的降低反應(yīng)溫度，提升反應(yīng)的效率，在使用催化劑的條件下，上述反應(yīng)可以在電廠的合適溫度范圍內(nèi)反應(yīng)(300℃-400℃)。SCR煙氣脫硫過(guò)程除了存在上述反應(yīng)過(guò)程，還會(huì)發(fā)生以下副反應(yīng)。
上述副反應(yīng)的存在會(huì)對(duì)SCR技術(shù)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(guò)程的控制步驟
SCR煙氣脫硫的反應(yīng)過(guò)程主要包含以下幾個(gè)階段：
(1)外擴(kuò)散過(guò)程。外擴(kuò)散即反應(yīng)物逐漸向催化劑外表面擴(kuò)散的過(guò)程.即氮氧化物和氨氣從氣相主體中擴(kuò)散到催化劑外表面的過(guò)程。
(2)內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程。催化劑的活性中心一般存在于催化劑的內(nèi)表面上，因此反應(yīng)物需要在內(nèi)表面的活性中心吸附才能發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)物質(zhì)從催化劑外表面向內(nèi)表面擴(kuò)散的過(guò)程為內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程。
(3)吸附過(guò)程。反應(yīng)物在活性中心吸附的過(guò)程。
(4)催化反應(yīng)。吸附在活性中心的反應(yīng)物，在催化劑活性中心和一定溫度下發(fā)生催化反應(yīng)，氮氧化物分解生成氮?dú)夂退?/p>
(5)脫附過(guò)程。反應(yīng)產(chǎn)物從活性中心脫離的過(guò)程。
(6)內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程。反應(yīng)產(chǎn)物從活性中心脫附后通過(guò)催化劑的內(nèi)表面向外表面擴(kuò)散的過(guò)程。
(7)外擴(kuò)散過(guò)程。反應(yīng)產(chǎn)物從催化劑外表面向氣相主體中進(jìn)行擴(kuò)散傳質(zhì)的過(guò)程。
以上七個(gè)步驟可以分為三大類：外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散及表面反應(yīng)(吸脫附反應(yīng)較快)。外擴(kuò)散主要與氣相主體的流速有關(guān)，影響床層流速的宏觀原因主要有床層積灰，加強(qiáng)吹灰操作可以有效降低床層積灰現(xiàn)象，降低積灰對(duì)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(jìn)行有效處理，會(huì)引起催化劑床層塌垮。內(nèi)擴(kuò)散主要與催化劑的孔道結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要是由催化劑的制備和設(shè)計(jì)影響，催化劑設(shè)計(jì)和制備不合理，可能加大內(nèi)擴(kuò)散的影響。而表面反應(yīng)主要與催化劑性質(zhì)及反應(yīng)溫度有關(guān)，主要與參數(shù)的調(diào)節(jié)和催化劑制備過(guò)程有關(guān)。在實(shí)際過(guò)程中，如果不能進(jìn)行有效的處理，內(nèi)外擴(kuò)散和表面反應(yīng)都有可能成為整個(gè)反應(yīng)過(guò)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(biāo)是脫硝的效率。脫硫效率的主要影響因素有反應(yīng)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(yīng)溫度的影響
反應(yīng)溫度對(duì)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(zhǎng)速度最快，活性和效率均在400℃時(shí)達(dá)到最大值。而溫度大于400℃時(shí)，活性和效率均降低。
(2)氨氮摩爾比的影響
氨氮摩爾比是評(píng)價(jià)SCR工藝經(jīng)濟(jì)性的技術(shù)指標(biāo)。在相同的脫硝效率下，氨氮摩爾比越大，其經(jīng)濟(jì)性越低。圖1是脫硝效率與氨氮摩爾比的關(guān)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(shí)，逃逸率的變化幅度較小，氨氮摩爾比大于1時(shí)，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(shè)置在0.9-1.05的范圍內(nèi)。
圖1脫硝效率與氨氮摩爾比的關(guān)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(dǎo)致最終的效率下降。
(4)空速的影響
空速是化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，關(guān)乎催化劑的處理能力。空速即單位時(shí)間內(nèi)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。空速增加，反應(yīng)物在反應(yīng)器中的保留時(shí)間較短，反應(yīng)不充分，導(dǎo)致效率下降。
5結(jié)語(yǔ)
煙氣中氮氧化物對(duì)于環(huán)境存在嚴(yán)重的影響，電廠進(jìn)行煙氣脫硝對(duì)于環(huán)境保護(hù)和提升企業(yè)的社會(huì)責(zé)任都具有積極的作用。通過(guò)對(duì)SCR煙氣脫硝技術(shù)的概述，可以有效地為SCR技術(shù)的研究和實(shí)踐應(yīng)用提升參考。
