SCR烟气脱硝催化剂生产与应用现状

北极星环保网讯:氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物，主要包 括NO、NO2、N2O 等，可以引起酸雨、光化学烟雾、温 室效应及臭氧层的破坏。自然界中的NOx 63%来自工业污染和交通污染，是自然发生源的2倍，其中电力工业和汽车尾气的排放各占40%，其他工业污染源占20%。在通常的燃烧温度下，燃烧过程产生的 NOx  中90%以上是NO，NO2占5%～10%，另有极少量的N2O。NO排到大气中很快被氧化成NO2，引起呼吸道疾病，对人类健康造成危害。

火电厂产生的NOx 主要是燃料在燃烧过程中 产生的。其中一部分是由燃料中的含氮化合物在 燃烧过程中氧化而成，称燃料型NOx;另一部分由  空气中的氮高温氧化所致，即热力型NOx，化学反 应为：

N2 + O2→2NO (1)

NO + 1/2 O2→NO2 (2)

还有极少部分是在燃烧的早期阶段由碳氢化合物与氮通过中间产物HCN、CN 转化为NOx，简称瞬态型 NOx [1]。

减少NOx 排放有燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝2条途径。现阶段主要通过控制燃烧过程NOx 的生成，通过各类低氮燃烧器得以实现[2-3]。这是一  个既经济又可靠的方法， 对大部分煤质通过燃烧过 程控制可以满足目前排放标准。

1 烟气脱硝工艺

1.1 相关化学反应

NO 的分解反应(式(1)的逆反应)在较低温度 下反应速度非常缓慢，迄今为止还没有找到有效的催 化剂。因此，要将NO 还原成N2，需要加入还原剂。氨  (NH3)是至今已发现的最有效的还原剂。有氧气存 在时，在900～1 100℃，NH3 可以将NO 和NO2 还原成 N2  和H2O，反应如式(3)、(4)所示[4]。还有一个副反 应，生成副产物N2O，N2O 是温室气体，因此，式(5) 的反应是不希望发生的。 4NO + 4NH3  + O2→4N2 + 6H2O (3) 2NO2 + 4NH3 + O2→3N2 + 6H2O (4) 4NO + 4NH3 + 3O2→4N2O + 6H2O  (5) 在900℃时，NH3 还可以被氧气氧化，如式(6)～ (8)所示。

2NH3 + 3/2 O2→N2 + 3H2O (6) 2NH3 + 2 O2→N2O + 3H2O (7) 2NH3 + 5/2 O2→2NO +  3H2O (8) 这就意味着NH3 除了担任NO、NO2 的还原剂 外，还有相当一部分被烟气中的氧气氧化，而氧化的 产物中有N2、N2O 和NO，后者增加了NO  的浓度却降 低了脱硝效率。

1.2 非选择性催化还原工艺

非选择性催化还原工艺(SNCR，Selective Non-Catalytic Reduction)利用锅炉顶部850～1 050℃的高  温条件，喷入NH3 在没有催化剂作用下还原NOx，在 锅炉中的布置如图1 所示[5]。不用催化剂，则不需设 置催化反应器，故SNCR 工艺简单、投资省，对没有  预留脱硝空间的现有锅炉改造工作量少。可是在 850～1 050 ℃ 时，NH3 的氧化反应(式(6)～(8))全部 可以发生，确定了该工艺的脱硝效率不高，一般仅  50%左右，同时还要求有较高的NH3/NO 摩尔比，增 加了NH3 的消耗与逃逸。故SNCR 工艺难以满足环 保要求高的大型燃煤锅炉。

1.3 选择性催化还原

选择性催化还原(SCR，Selective Catalytic Reduction)的原理是在催化剂作用下，还原剂NH3 在 相对较低的温度下将NO  和NO2 还原成N2，而几乎 不发生NH3 的氧化反应，从而提高了N2 的选择性， 减少了NH3 的消耗。该工艺于20 世纪70 年代末首  先在日本开发成功，80 年代和90 年代以后，欧洲和 美国相继投入工业应用，现已在世界范围内成为大 型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺。在NH3/NOx 的摩  尔比为1 时，NOx 的脱除率可达90%，NH3 的逃逸量 控制在5 mg/L 以下。为避免烟气再加热消耗能量， 一般将SCR 反应器置于省煤器后、空气预热器之  前，即高飞灰布置。氨气在加入空气预热器前的水平 管道上加入，与烟气混合。对于新建锅炉，由于预留 了烟气脱氮空间，可以方便地放置SCR 反应器和设  置喷氨槽，流程如图2 所示。

SCR 系统由氨供应系统、氨气/空气喷射系统、 催化反应系统以及控制系统等组成，催化反应系统是 SCR 工艺的核心，设有NH3 的喷嘴和粉煤灰的吹扫  装置，烟气顺着烟道进入装载了催化剂的SCR 反应 器，在催化剂的表面发生NH3 催化还原成NOx。

2 SCR 工艺采用的催化剂

2.1 催化剂的化学组成

催化反应器中装填的催化剂是SCR 工艺的核心。文献[6]详细列举了金属氧化物催化剂，如V2O5、  Fe2O3、CuO、Cr2O3、Co3O4、NiO、CeO2、La2O3、Pr6O11、Nd2O3、 Gd2O3、Yb2O3 等，催化活性以V2O5  最高。V2O5 同时也 是硫酸生产中将SO2 氧化成SO3 的催化剂，且催化 活性很高，故SCR 工艺中将V2O5 的负载量减少到  1.5%(重量百分比)以下，并加入WO3 或MoO3 作为 助催化剂，在保持催化还原NOx 活性的基础上尽可 能减少对SO2 的催化氧化。助催化剂的加入能提高  水热稳定性，抵抗烟气中As 等有毒物质。商业应用 的催化剂是分散在TiO2 上，以V2O5 为主要活性组 分，WO3 或MoO3  为助催化剂的钒钛体系，即V2O5- WO3/TiO2 或V2O5-MoO3/TiO2。

2.2 催化反应原理

催化反应原理是NH3 快速吸附在V2O5 表面的 B 酸活性点，与NO 按照Eley-Rideal 机理反应，形成 中间产物，分解成N2 和H2O，在O2  的存在下，催化 剂的活性点很快得到恢复，继续下一个循环，其化学 吸附与反应过程如图3 所示[7]。反应步骤可分解为：

(1)NH3 扩散到催化剂表面;(2)NH3 在V2O5 上发生 化学吸附;(3)NO 扩散到催化剂表面;(4)NO 与吸 附态的NH3  反应，生成中间产物;(5)中间产物分解 成最终产物N2 和H2O;(6)N2 和H2O 离开催化剂表 面向外扩散。

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