低溫SCR催化劑脫硝效率分析

蔣亞彬，董月紅，薛洋企，王田禾

(國電科學技術研究院，江蘇南京 210031)

以燃煤為主的大型火電廠鍋爐系統(tǒng)排放的SO2和NOx是造成大氣污染的主要固定污染源［1］。2010年5月11日國辦發(fā)布的《國務院辦公廳轉發(fā)環(huán)境保護部等部門關于推進大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改善區(qū)域空氣質量指導意見的通知》中就強調加強NOx污染減排，建立NOx排放總量控制制度。“十二五”規(guī)劃中對于“火力發(fā)電鍋爐及燃氣輪機組大氣污染物特別排放限值”的規(guī)定中，燃煤鍋爐NOx限值為150～450mg/m3。從中可以看出隨著國家環(huán)保法規(guī)、標準的不斷更新，對燃煤電廠NOx的排放控制必將越來越嚴格。

選擇性催化還原技術(SCR)是目前國內外應用最為廣泛的煙氣脫硝技術。由于已商業(yè)化的催化劑的活性溫度窗口(300～400℃)較高，為獲得理想的脫硝效果，多采用高溫、高灰工藝，即將SCR裝置布置在除塵和脫硫設施之前。但高溫操作會造成系統(tǒng)運行費用升高，同時對催化劑的抗硫和抗粉塵等性能要求較高。目前，國內絕大多數(shù)固定源尚未安裝SCR裝置，若采用該法進行脫硝，須對現(xiàn)有尾氣處理系統(tǒng)進行較大規(guī)模的改造以適應技術需要，實施成本較高。因此，適用于尾氣處理系統(tǒng)末端的低溫SCR技術成為研究人員關注的熱點。該法將SCR裝置布置在脫硫設施之后，不需對原有系統(tǒng)進行改造，催化劑可在較“潔凈”的環(huán)境下工作，延長了催化劑壽命，更適合我國現(xiàn)有的國情［2］。

本文主要研究低溫SCR催化劑，試驗中所用的催化劑是一種自成型催化劑，該催化劑是將氧化鈦(TiO2)與陶瓷原料以一定比例攪拌均勻，采用模壓工藝擠壓成型，用浸漬法將活性成分以一定比例添加到載體中，干燥成型(本文活性成分涉及5種不同組分)，然后對催化劑進行檢測試驗，比較各催化劑的脫硝效率。

1 試驗概況

1.1 制備

用浸漬法制備SCR催化劑，載體為自行研制的TiO2載體(φ50mm)。將不同重量的TiO2載體分別浸入配置好的催化劑中，經100℃空氣干燥3h、500℃空氣焙燒2h處理后測定載體重量，以估算催化劑的負載量。

1.2 試驗

用煙氣分析儀測試SCR催化劑的脫硝效率，反應條件為:120℃，0.1MPa;模擬尾氣試驗條件下煙氣組成為NOx600μL/L，O2含量為6%，其余為N2;煙氣空速1000 ～9000h－1。

1.3 試驗流程

試驗裝置示意見圖1。

圖1 催化劑脫硝效率檢測裝置示意

2 結果與討論

2.1 反應溫度對催化活性的影響

2.1.1 不同反應溫度對同一催化劑活性的影響

本試驗對TMC催化劑進行5種溫度的測試，結果如圖2所示。

圖2 TMC催化劑不同溫度脫硝效率

從圖2可知，隨著反應溫度的升高，脫硝效率提高，120℃時脫硝效率達到最大，溫度繼續(xù)升高，脫硝效率反而降低。在SCR反應過程中溫度的影響存在兩種趨勢，一方面隨著溫度的升高，NOx與NH3選擇性反應速率提高，脫硝效率升高;另一方面溫度的升高使NH3發(fā)生氧化反應，脫硝效率下降。因此，最佳溫度是這兩種趨勢對立統(tǒng)一的結果。

2.1.2 不同反應溫度對不同催化劑活性的影響

本試驗是在兩種反應溫度即90℃和120℃下對5種不同催化劑進行脫硝效率比較。從圖3可以看出，120℃溫度下的脫硝效率明顯高于90℃。考慮到120℃時催化劑脫硝效率最高，后續(xù)試驗均在120℃下進行。

圖3 不同反應溫度催化劑脫硝效率

2.2 催化劑質量對催化活性的影響

本試驗在一定的煙氣流量條件下，對不同質量的催化劑進行脫硝效率檢測。從圖4中可知，脫硝效率隨催化劑質量的增大而升高，質量為45g時脫銷效率最高。催化劑質量增多，反應氣體與催化劑的接觸面積相應就會增大，有利于反應氣體在催化劑微孔內的擴散、吸附、反應和產物氣體的解析、擴散，從而使脫硝效率升高。

圖4 不同質量的催化劑脫硝效率

2.3 不同活性分子的含量對催化活性的影響

本組試驗對10%和5%的活性分子含量的催化劑進行檢測。從圖5可知，10%含量的催化劑脫硝效率明顯比5%含量的催化劑脫硝效率高，催化劑中活性分子含量增加，脫硝效率提高。

圖5 不同活性分子含量對催化劑活性影響

2.4 不同活性分子對催化劑活性的影響

對不同質量、不同活性分子的催化劑進行檢測試驗。從圖6可知，TM、TCM、TMC、TMCM、TMCW催化劑脫硝效率的變化趨勢是遞增的。這是因為在原始的TM催化劑里加入少量Ce元素可以提高催化劑的脫硝效率。在TMC催化劑中加入Mo，隨Mo元素含量的增加，TiO2載體表面多聚鉬酸鹽物種的覆蓋度增加，SCR活性增大，脫硝效率增大;在TMC催化劑基礎上加入W元素。WO3是催化劑中重要的助催化劑，有利于提高催化劑的穩(wěn)定性，減輕煙氣中SO2的氧化速率［3］，而且可以增加催化劑的比表面積，促進活性組分的分散［4］，所以脫硝效率增大。

圖6 不同活性分子的催化劑比較

2.5 含Si與無Si催化劑脫硝效率比較

本試驗對不同質量、催化活性分子含量10%、含Si的催化劑與無Si的催化劑進行試驗，從圖7可以看出，含Si對催化劑脫硝效率有一定提高。純SiO2對催化效率沒有影響，但含Si的催化劑從外形上看要比無Si的催化劑機械強度增加，成型更穩(wěn)定，這樣催化活性分子在催化劑的負載量就更穩(wěn)定更多，對脫硝效率有一定提高。

圖7 質量45g不同催化劑有Si與無Si比較

3 結語

(1)催化劑在低溫反應區(qū)的最佳反應溫度為120℃。隨著催化劑的質量增多，脫硝效率增大;隨著催化劑中活性分子含量增加，脫硝效率提高。

(2)不同的活性分子Ce、Mo、W元素的加入可以提高催化劑效率，且加入W時脫硝效率最好。

(3)含Si的催化劑從性能上要比無Si的催化劑機械強度高，成型更穩(wěn)定，催化活性分子負載量更穩(wěn)定更多，對脫硝效率有一定提高。

［1］唐富順，許波連，王 奇.整體式SCR催化劑的制備與性能研究［J］.分子催化，2007，(增刊):22 －23.

［2］唐曉龍，郝吉明，徐文國.新型MnOx催化劑用于低溫NH3選擇性催化還原 NOx［J］.催化學報，2006，27(10):843 －848.

［3］閆志勇，高 翔，岑可法.V2O5－WO3－MoO3/TiO2催化劑制備及NH3選擇性還原NOx的試驗研究［J］.動力工程，2007，27(2):282－286.

［4］Alemany L J，LIetti L，F(xiàn)erlazzo N，et al.Reactivity and physicchemical characterization of V2O5－WO3－MoO3/TiO2de－ NOxcatalysts［J］.Journalof Catalysis，1995，(155):117－130.