燃煤电厂SCR脱硝催化剂的原理与分类

【摘要】随着我国经济发展，火力发电厂的煤炭消耗量逐年增长，因此而产生的氮氧化物（NOx）污染现象越来越严重，而选择性催化还原法（SCR）脱硝技术因其技术成熟，脱硝效率高，逐渐成为国内外火电厂烟气脱硝所选用的主流技术，并很快就得到了广泛应用。本文主要阐述了SCR烟气脱硝技术中催化剂的基本催化原理及催化剂种类。

【关键词】烟气脱硝；SCR脱硝催化剂

中图分类号：C35 文献标识码： A

1.前言

随着我国经济的加速发展，能源的消耗量尤其是化石能源消耗越来越大。其中，煤炭是我国能源结构居于主要地位的化石能源，且在相当一段时间内，我国对煤炭的依赖性格局在不会有得到太大改变，而火电燃煤在我国煤炭消耗中占较大比重，煤炭燃烧所产生的大气污染物已经成为影响我国环境质空气质量的重要因素。燃煤过程中产生的SO2、CO2、NOx和粉尘分别占我国总排放量的87%、71%、67%和60%[1，2]。其中，因NOx气体对人体危害极大，且会造成城市光化学污染、烟雾及酸雨等恶劣的气候现象，燃煤烟气脱硝效率的改进问题已成为我国亟待解决的环境问题之一。

现阶段，控制NOx排放的常规措施大致分为两类：一类是燃烧控制技术，即以各种技术的应用为手段，抑制或还原燃烧过程中产生的NOx，来达到降低NOx排放总量减少的目的；另一类是以烟气净化为主的技术应用，即脱除烟气中的NOx。烟气脱硝的常规技术有催化分解法、液体吸收法、等离子活化法、湿法脱氮、固体吸附法、微生物法、选择性非催化还原（SNCR）法和选择性催化还原（SCR）法等。其中SCR法是现有方法中性价比最好的烟气脱氮技术，它是在特定催化剂作用下，以氨或者其它还原剂有选择性的将NOx还原为N2和H2O的方法[3]。

在SCR技术中，催化剂是核心部分，催化剂一般是由基材载体和活性成分两部分组成。基材作为支撑催化剂形状骨架，大部分由钢或陶瓷构成；载体是用以承载活性金属，目前大部分蜂窝状催化剂都是把载体材料自身作为基材制成蜂窝状来使用的。其脱销的本质是促使烟气中的氮氧化物发生氧化还原反应，且催化剂具有许多种类。

2. SCR反应基本原理

在常规方法中，最具代表性的SCR反应是以NH3作为主要的还原剂，V2O5/TiO2等金属氧化物作为催化剂将NO选择性催化还原为N2的反应，在有O2的存在下，NH3/NO摩尔比接近1比1，且反应温度

NH3 + NO + 1/4O2 N2 +2/ 3H2O （1）

通过同位素标记试验证实以V2O5/TiO2作为催化剂发生的SCR反应所生成的N2分子中的两个N原子分别是来自于NO和NH3[6，7]。在不同条件下对反应产物进行分析后，结果表明SCR反应过程中以如下三个主要反应为主[8]：

4NH3 + 2NO2 + O2 3N2 + 6H2O （2）

4NH3 + 6NO 5N2 + 6H2O （3）

4NH3 + 4NO + 3O2 4N2O + 6H2O （4）

SCR是一个复杂的反应过程，除了上述的主要反应之外，还伴随一些副反应发生。

3. SCR脱硝催化剂的分类

催化剂作为SCR脱硝工艺整体的核心，其结构、寿命、成分与相关理化参数都直接和间接影响SCR系统的脱硝效率与运行可靠性。

以结构划分，SCR脱硝催化剂主要有三种[9]：

（1） 蜂窝状催化剂：以二氧化钛或二氧化硅等材料作为载体，经与活性液混合并充分，搅拌至均匀后通过机械压力使催化剂成型，最后通过焙烧将其活化。目前商业化利用最高的脱硝催化剂就是蜂窝状催化剂，它具有转化率高、孔隙率高、比表面积大、机械强度好且使用周期长等众多优点。

（2） 平板式催化剂：该种催化剂以平板式钢制筛板为支撑，以加压的方式将活性组分覆盖于筛板的两侧，然后经过高温焚烧炉焙烧活化，最后将催化剂单体组装为整体结构的催化剂单元。平板式催化剂与蜂窝式催化剂相比，可有效防止飞灰堵塞，具有耐磨和抗中毒的优势。

（3） 波纹式催化剂：这种催化剂是将陶瓷与金属类筛板制成波纹状，然后通过浸渍法将活性组分负载于筛板两面，最后焙烧活化制得。与平板式催化剂相比，波纹式催化剂因其表面呈现一定的波纹状，导致与烟气接触面积有所增加。

按材料划分，SCR 脱硝催化剂主要可分为以下3种[10，11]：

（1） 贵金属催化剂是以金属Pt等为活性组分，以Al2O3为载体的催化剂，贵金属催化剂一般具有活性高且所需反应温度较低。其在上世纪七八十年代曾普遍应用，但因价格昂贵且易与硫发生反应，逐渐被金属氧化物类催化剂取代。

（2） 金属氧化物催化剂是一类广泛应用的催化剂，主要由 V、Cu、Mg、Cr、Mn、Fe、Mo 等一种或多种元素作为活性组分，以Ti、Al、Zr、Si 等元素的氧化物或活性炭、分子筛等作为载体。该类催化剂具有良好的催化性能，与贵金属催化剂相比，具有制作成本低，微孔结构的比表面积大，得到国内外广泛应用。

（3） 分子筛型催化剂是目前国内外研究的热点之一，其又称沸石催化剂， 以分子筛为主要催化剂活性组分或活性组分之一，常见包括分子筛裂化催化剂和载金属分子筛催化剂两种。由于交换态下的铵离子分解及氢离子交换，分子筛催化剂具有优异的酸催化活性。

4. 参考文献

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[7]Ozkan U S， Cai Y P， Kumthekar M W. Investigation of the reaction pathways in selective catalytic reductionof NOwithNH3overV2O5catalysts： isotopic labeling studies using 18O2， 15NH3， 15NO， and15N18O [J]. Catal， 1994， 149：390-403.

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