脱硝催化剂脱硝效率的影响因素研究

李红波 翁骥 李小海 徐旭升 李倩 邹海峰

摘 要：随着“十二五”期间国家对氮氧化物排放控制要求的进一步提高，选择性催化还原法（SCR）被广泛地应用于火电厂的烟气脱硝。催化剂在电厂运行状况的好坏直接影响着电厂的脱硝性能。该文介绍了催化剂在实验室条件下，NH3/NO摩尔比、反应温度、催化剂空间速度以及含水量对脱硝效率的影响。研究发现脱硝效率随着NH3/NO摩尔比和温度的升高而升高，随着含水量和空间速度的下降而降低。

关键词：脱硝催化剂 脱硝效率 影响因素 研究

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0020-02

选择性催化还原（SCR，Selective Catalytic Reduction）法目前是世界上最主流的NOX脱除方法[1]。以NH3作为还原剂，V2O5/TiO2作为催化剂主要成分来脱除燃煤电厂产生的NO的工艺比较成熟，也是目前唯一能在氧化气氛下脱除NO的实用方法。

目前，脱硝催化剂在燃煤电厂的运行受到很多因素的影响，脱硝效率不能达到预期的目标。例如NH3/NO摩尔比、反应温度、催化剂空间速度、O2浓度、NO初始浓度等[2-4]。

该文以实验室的测试结果为基础，对实验室测试条件下影响脱硝催化剂脱硝效率的因素进行了系统的分析。

1 材料与方法

1.1 材料

商用脱硝催化剂。

1.2 实验器材

1代表质量流量计；2代表气体混合器；3代表预热炉；4代表反应器；5代表NH3吸收瓶；6代表烟气分析仪；7代表数据处理系统；8代表尾气吸收系统。

脱硝催化剂活性测试评价装置，装置流程图如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 XRD分析

图2a是新催化剂的XRD谱图，图2b是在电厂高温运行后的催化剂的XRD谱图。从图2a中可以看出，样品的结构为锐钛矿相结构，没有金红石相的存在，同时也没有检测到V2O5和MoO3其他物质的存在，说明催化剂的活性物质和助剂等均匀分散在催化剂载体TiO2表面，没有形成团聚。图2b是高温运行后的催化剂的XRD谱图。从图中可以看出，在高温运行条件下，部分催化剂的载体TiO2由锐钛矿结构转化为金红石结构。这主要是由于锐钛矿TiO2不是十分稳定，在一定的温度条件下，会转化为金红石型的稳定结构。

2.2 化学成分分析

通过对脱硝催化剂的化学成分分析（表1），发现脱硝催化剂的主要化学成分是TiO2，含量为82.31%，与XRD谱图的结果相一致。除了含有TiO2以外，催化剂中还含1.60%的活性成分V2O5和2.42%的催化剂助剂MoO3。

2.3 NH3/NO摩尔比对脱硝效率的影响

在反应温度为370℃，NOx浓度为400 ppm的条件下，催化剂脱硝效率随NH3/NO摩尔比变化的关系曲线图如图3所示。从图中可以看出，当NH3/NO摩尔比<1时，催化剂的脱硝效率随着NH3/NO摩尔比的增加而增加。当NH3/NO摩尔比>1时，催化剂的脱硝效率随着NH3/NO摩尔比变化的趋势趋于平缓，不在随着NH3/NO摩尔比的增加而增加。这主要与NH3在催化剂表面的吸附量有关。当NH3浓度较低时，增加NH3浓度可以增加催化剂表面上的NH3吸附量，从而加快了SCR的反应速率。而当NH3浓度达到一定时，NH3在催化剂表面的吸附达到动态平衡，NO转化率和催化剂反应速率将保持稳定。因此在一定的NO浓度条下，NH3浓度的增加可以提高催化剂的反应速率，而当NH3/NO摩尔比≥1时，氨气浓度增加对反应速率影响不大[6]。

2.4 空间速度对脱硝效率的影响

在反应温度为370℃，NH3/NO摩尔比=1，反应器入口NOx的浓度为400 ppm的条件下，催化剂的脱硝效率与空间速度之间的关系如图4所示。从图中可以看出，随着反应器空间速度的增加，脱硝效率呈下降趋势。

在低空速較低的条件下，有利于烟气中的NOx与NH3由气相边界层扩散至催化剂外表面、由催化剂外表面扩散至催化剂微孔结构和在催化剂活性位上化学吸附与氧化还原反应过程的进行，使得脱硝反应完成更充分[6]。

2.5 含水量对脱硝效率的影响

图5为含水量对催化剂脱硝效率的影响，烟气成分为400 ppm NO，400 ppm NH3，5%O2，反应温度为370℃。从图中可以看出，水对催化剂的脱硝效率有抑制作用。在没有或者水很少的条件下，催化剂的脱硝效率为83.7%，随着加入水加入量的增加，脱硝效率逐渐下降，在含水量为8%时NO转化率降至78%。当含水量超过8%时，含水量的增加对脱硝效率影响趋于平缓。这主要是由于烟气中的水蒸气含有大量的OH-，与NH3产生竞争吸附从而占据部分催化刘上的酸性位，使NH3与活性位的接触机会减少，从而导致了反应速率的降低。当水含量>8%后，水在催化剂表面上的吸附达到动态平衡，继续增加水含量不会增加催化剂表面对水的吸附量，因此水蒸气含量对催化剂的活性影响不大。对于实际电站锅炉而言，烟气中水蒸气的含量一般>8%，此时水蒸气对催化剂的活性有一定的抑制作用，但水蒸气含量的变化对催化剂活性影响不大。

2.6 温度对脱硝效率的影响

图6是脱硝效率随着温度变化的曲线图。从图中可以看出，在260～350℃范围内，随着反应温度的升高，催化剂的脱硝效率明显升高。当温度在350～400℃范围内，随着反应温度的升高，催化剂的脱硝效率升高的不明显。随着反应温度的升高，催化剂的活性逐渐提高，催化剂的脱硝效率逐渐升高。当反应温度超过420℃时，催化剂的脱硝效率有下降的趋势。主要是由于反应温度的升高，导致部分催化剂的载体发生晶型的转变，从锐钛矿转变为金红石，从而导致催化剂的脱硝效率下降[7]。

参考文献

[1] 杨冬，徐鸿.SCR烟气脱硝技术及其在燃煤电厂的应用[J].电力环境保护，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] 杜云贵，吴其荣，邓佳佳，等.SCR烟气脱硝催化剂的化学动力学模拟研究[J].热力发电，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] 高岩.选择性催化还原脱硝催化剂的实验与机理研究[D].济南：山东大学，2012.

[7] 毛建宏.大型电站锅炉SCR烟气脱硝系统关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2011.