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低溫SCR脫硝催化劑的分析及研究

2020-02-19 | 來源:全熙環保

氮氧化物是燃煤工業鍋爐最常出現的污染氣體排放物,對造成大氣污染,破壞生態環境有重大的影響.文章在了解低溫SCR脫銷技術應用情況的基礎上,明確了有關催化劑的研究進展,并分析低溫SCR脫硝催化劑的類型,及具體技術應用情況,以此為中國城市建設實現可持續發展做出應有的努力.

0 引言

工業發展會加劇污染物的排放,加重環境負擔。在行業污染物超低排放政策全面推廣后,電力行業大氣污染被有效遏制,而非電力行業污染物排放問題日益突出,其中工業鍋爐煙氣中NOX 的控制及治理成為我國城市建設和大氣污染治理工作的重要內容。SCR( 選擇性催化還原技術) 技術最初是由美國提出的專利內容,應用催化劑也是鉑類催化劑,雖然可以解決實踐問題,但最終獲取的結果并不顯著,原因在于其會在催化活性溫度中產生大量硝酸銨鹽。一直到20 世紀70 年代后期日本研制出具有實際意義和高活性的SCR 商業催化劑,并在實踐發展中得到了有效應用,且得到了其他國家的支持和認可。對非電力行業工業鍋( 窖) 爐而言,因為排煙溫度低,所以直接引用成熟的高溫SCR 脫硝技術全面管控氮氧化物是難以達到預期要求的,而選擇性催化還原氮氧化物的凈化率過低,不能達到預期設定的排放標準,因此低溫SCR 脫硝技術是企業發展的最佳選擇。

1 低溫SCR脫硝技術

從本質上講,低溫SCR 脫硝技術的核心內容就是低溫SCR脫硝催化劑,因此與催化劑有關的壽命、構成等因素都會影響低溫SCR脫硝技術的應用效果。我國針對這一技術的探究最初是由中國建筑料科學研究總院陶瓷科學研究院提出的。

簡單來說,SCR 脫硝系統是引用催化劑在規定溫度下,引用煙氣中的氮氧化物與氨氣供應系統注入的氨氣在混合后產生還原反應,最終生成氮氣和水,以此控制氮氧化物的排放量,并降低其對生態環境穩定的影響。通常情況下,SCR 反應器中出現的反應過程如下所示:

4NO+4NH3+O3——4N2+6H2O

6NO+8NH3——7N2+12H2O

NO+NO2+2NH2——2N2+2H2O

2 目前低溫SCR脫硝催化劑研究進展

2.1 金屬氧化物

當前,一種或多種金屬氧化物的混合物用作催化劑,不僅能滿足低溫需求,而且具有極高的活性成分,現已得到了社會各界的廣泛關注。其中,錳基催化劑的低溫活性最佳,與之相關的研究非常多。

低溫固相法制作的無載體錳氧化物催化劑可以引用溫度在150℃以下的條件下進行SCR 脫銷,實際一氧化氮的轉化率可以達到98%。根據實驗分析可知,以錳鉻復合型催化劑為例,MnOx-CrOx 的低溫催化活性非常高,尤其是在Cr(Cr-Mn)摩爾比在0.4,且溫度低于120℃的背景下,空速在30000h-1 時

應用催化劑可以讓98%~99% 的氮氧化物轉變為氮氣,且展現出極高的活性和氮氣選擇性[1]。由于同種催化劑在不同條件或

制作方法下都會產生性能改變。因此,繼續根據實驗探究分析可知,二氧化硫和水的出現并不會影響選擇性催化還原的活性,相反添加鋯、鐵、鎳等不同金屬氧化物,都會制約催化劑的應用性能。

2.2 分子篩

因為分子篩具有獨特性能,所以可以滿足低溫SCR 脫銷要求,且擁有極高的發展前景。以新穎蛋殼型錳氧化物/NaY 低溫SCR 催化劑為例,其在200℃的環境中,空速達到30000~50000h-1,且一氧化氮的轉變率可以達到80%~100%,擁有極高的抗水性能。通過實驗探究分析可知,在低溫狀態下,蛋殼結構是提高SCR 活性的主要原因[2]。需要注意的是,所選微孔分子篩低溫SCR 催化劑會受灰塵制約出現堵塞現象,這樣不僅會降低催化劑的活性,還會減少催化劑的應用時間。因此,在引用這種催化劑時必須要研究向介孔和大孔分子篩的方向。

2.3 炭基

不管是分子篩還是金屬氧化物,兩者都可以在應用中達到預期效果。同樣,炭基催化劑在低溫SCR 催化劑中的應用效果也非常好,而活性炭纖維屬于一種較為優質的催化劑載體。

通過在實驗探究中分析可知,三氧化二錳、三氧化二鈷及氧化鐵三種金屬氧化物在ACF 活性炭纖維中的活性研究,活性度最高的就是三氧化二錳,且會隨著反應溫度的上升增加具體比例。尤其是在溫度達到零上150℃的情況下,一氧化氮的轉變率達到了92%[3]。同時,此時獲取的催化劑中的活性炭纖維能全面劃分金屬氧化物的顆粒,并為實際反應提供充足的氣相接觸面積。

2.4 貴金屬

這類物質在催化劑領域中的應用非常多,現階段雖然有關上述三種類型的研究更加完善,但已經開始針對貴金屬進行活性成分探索。其中,最常見的貴金屬就是鉑,其大都是以Al2O3 為載體進行分析。通過實驗對比研究鉑和銠在不同金屬氧化物中的SCR 活性可知,兩者展現出的催化劑都擁有非常高的一氧化氮轉變率,但前者的效率更高,且氮氣選擇性要超過后者。

3 當前低溫脫硝出現的問題和解決方向

現階段,不管是上述哪種催化劑在沒有二氧化氯和水的條件下,都可以展現出極高的一氧化氮轉變率,但因為實踐工作中二氧化硫和水的含量不穩定,所以極容易在它們的制約下出現活性下降現象。原因在于:其一,二氧化硫和催化劑在反應出現硫酸鹽后,將會降低催化劑的活性。其二,二氧化硫和部分氨氣在反應中獲取的硫酸銨鹽會附著在催化劑表層的堵塞活性點上。其三,水會在物理吸附中占據所有催化劑活性點。雖然現階段國內外有關學者針對低溫脫硝催化劑的研究越來越深入,但二氧化硫和水一直都是影響催化劑活性的主要原因,需要研究學者針對這一內容進行持續探索,并由此提升低溫脫硝活性。

4 SCR脫硝技術的應用分析

一直到2008 年年底,我國現有發電裝機規模已經超過了7.9×108kW, 其中火電機組容量占據整體規模的75.9%。同時,預計在2020 年底,火電裝機容量可以達到1.21911×109kW,那么相應火電行業排放氮氧化物含量可以達到1.453×107t。在這一背景下,長期釋放的氮氧化物勢必會威脅生態環境穩定和空氣質量安全,此時就需要有關研究學者根據新時代發展提出的現代化技術理念進行持續探索革新。其中,SCR 脫硝技術就是現階段最常見且最高效的脫硝技術,現已得到了社會各界的支持和認可。

相對我國來說,美國、日本等發達國家對SCR 脫硝技術的認識和應用更早,且很多供公司和研究單位對這一工藝的掌握已經非常嫻熟。而我國不管是技術引進還是設備應用都不快,此時就要求我國組織專業人員對先進技術進行全面學習,并由此提出和開發具備中國特色的技術內容。現階段,隨著我國大氣污染物排放量的控制要求越來越高,促使實踐推廣的SCR 脫硝技術得到了持續革新。在這一背景下,不管是技術探索還是標準設置都有了新的改變,這就需要各行企業在觀察市場變化的同時,結合自身需求選擇適宜的技術內容,只有這樣才能有效控制氮氧化物的排放量,進而實現綠色環保的發展目標。以某地石電廠為例,其在安裝SCR 脫硝設備機組后,并引用了日本三菱重工業株式社提出的脫硝SCR 技術,在實踐發展中不僅有效解決了以往發展遇到的污染問題,而且可以從中收獲更多效益,對企業持續發展具有積極作用。

5 結語

綜上所述,低溫SCR 脫硝技術作為現階段各行企業發展革新關注的焦點,結合實踐案例分析可知,催化劑作為技術應用的主要影響因素,在低溫狀態下很容易受二氧化硫和水的制約,因此需要各企業在整合自身發展方向的同時,根據現代化技術優勢,提出適宜的工藝技術。這樣不僅能有效解決各環節的污染問題,而且可以嚴格管控氮氧化物的排放量。現階段,不管是石化原料還是工業鍋爐等都對低溫SCR 脫硝技術提出了巨大需求,此時對有關催化劑的研究進展和存在的問題進行分析,是新時代發展下企業關注的焦點。

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