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摘 要：导致大气污染的原因有很多，火力发电形成的氮氧化物（Nox）即为其中之一，这一问题得到了广泛的关注。在诸多NOx排放控制技术中，选择性催化还原（SCR）脱硝技术以其高脱硝效率和成熟的工艺实现了工业化大规模应用。本文就SCR工艺进行简要介绍，对影响SCR系统反应活性以及对适用于SCR系统的催化剂的要求进行分析阐述。
关键词：选择性催化还原 催化剂 反应活性
中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0102-02
氮氧化物（NOx）是导致大气污染的罪魁祸首之一，它主要指的是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、三氧化二氮（N2O3）等。NOx对人体健康有极大的损害，当NOx溶解在雨水中时会变成酸雨，腐蚀建筑，使土壤变性，危害生态健康。此外，NOx在紫外线作用下发生光化学反应形成光化学烟雾，对环境及健康带来威胁。因此，降低工业生产过程中NOx的排放量具有极其重要的现实意义。
尤其在燃煤电厂中，NOx的生成量较大，NOx排放控制技术是非常必要的。根据NOx的生成机理以及脱除经验，通常将其分为3类：（1）燃烧前控制技术；（2）燃烧中控制技术；（3）燃烧后控制技术。
在诸多NOx排放控制技术中，选择性催化还原法（SCR）脱硝技术是国际上应用最多、技术最为成熟且效率最高的脱硝技术之一，得到了大面积工业化。本文中，针对SCR脱硝技术进行研究，重点探讨在应用该技术时和催化反应效果有关的各项因素。
1 选择性催化还原法（SCR）工艺
SCR（Selective Catalytic Reduction）技术由美国Eegelhard公司发明，日本率先在20世纪70年代对此方法实现了工业化。大部分的燃煤发电厂选择使用NH3作为还原剂对气体进行脱硝处理，处理过程是通过NH3和NOx的反应实现的，在合适的温度环境下掺入催化剂促进反应的发生，形成的产物是无害的N2。这种方法也被称为选择性催化还原法。原因在于NH3会优先和Nox反应而不是O2。
通常情况下NH3-SCR反应的主反应如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O
4NH3+6NO→5N2+6H2O
8NH3+6NO2→7N2+12H2O
另外CO、H2、甲烷、乙烷、丙烷、丙烯等催化剂也能够作为SCR反应中的还原剂。通过使用适当的催化剂并控制还原剂和NOx的摩尔比例，可以得到80%～90%以上的脱硝率。
2 SCR反应对催化剂的要求
选择哪一种催化剂，很大程度上决定了SCR反应的脱硝效率。选择催化剂的基本要求是：活性强、成本低廉、能够多次使用、不形成二次污染等。在这些要求中，最终影响反应的催化活性的最重要的一项则是要具有高活性。因此，选取具有较高催化活性的催化剂是提高脱硝效率的关键。
催化剂自身结构对催化活性有较大的影响，这些影响体现在催化剂的比表面积、孔隙率、平均孔径及孔径分布等方面。
2.1 比表面积
比表面积指的是单位质量物质的表面积。从反应机理的角度来看，SCR反应是一种多相催化反应，催化剂会将反应物的分子吸附在其表面，创造更好的反应条件，所以比表面积是衡量催化活性的重要指标。若将催化剂制作成多孔的结构，其比表面积将会大幅提高，催化活性增强，脱硝率得到提高。
2.2 孔隙率
物质内部的孔隙和整个颗粒二者体积的比值即为孔隙率。孔径和比表面积均和孔隙率有关。通常情况下，比表面积、催化活性和孔隙率之间呈正相关关系，但若孔隙率太大，催化剂的机械强度将会有所降低。因此要综合考虑催化效率及极限强度的影响，选取适合的催化剂孔隙率大小。
2.3 平均孔径及孔径分布
比孔体积和比表面积的比值即为平均孔径。孔径分布则是衡量催化剂中各种孔隙分布状况的重要指标。当反应物的分子进入孔隙并在其中运动时，若孔径分布不均匀，催化剂的活性将会因此而降低。因此，要实现最可观的催化活性，要尽量使催化剂中的孔径均匀地分布。
通过上述分析可知，在为SCR反应选择催化剂种类时，需要考虑以下6点。
（1）在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。
（2）具有较高的选择性。
（3）较稳定，难以和反应物或其他物质发生反应。
（4）当温度明显上升时，能够保持良好的热稳定性。
（5）机械稳定性好，在部分磨损的情况下依旧保持良好的活性。
（6）受压力影响小，使用寿命长。
3 SCR反应活性的影响因素
SCR反应从机理上是多相催化反应，多相催化反应的反应步骤大体分为如下五步：（1）反应物分子随着气流运动，不断地向催化剂表面及孔内扩散；（2）吸附在催化剂内表面；（3）和气相分子发生反应；（4）反应产物离开催化剂内表面；（5）产物进入到孔隙中并随着气流逸散。反应物首先经过外扩散和内扩散的传质过程，随后在催化剂表面经过化学反应过程完成化学反应过程。传质过程的速率，主要是由催化剂结构以及流体流型所决定；化学反应的速率，主要由催化剂的外观结构、性质以及反应环境所决定。下面对影响SCR反应效率的主要影响因素进行简要说明。
3.1 气时空速对反应活性的影响
气时空速一般是指单位体积的催化剂在单位时间内所处理的气体量，反映了烟气与催化劑表面的接触时间。低空速会促进反应物分子NOx、NH3移动到催化剂的外部和孔隙中，这对脱硝反应的进行是非常有利的，但在一定程度上阻碍反应产物离开催化剂。高空速可以使反应产物能够在更短的时间内离开催化剂，但会抑制反应物的吸附和孔隙内的运动，使脱硝反应速度降低。此外，低空速需要SCR系统中布置更大体积的催化剂，增加系统的成本投入。所以，在实际操作中，要从脱硝效率、脱硝总成本、功耗等多个角度进行全面的考量，选择最合适的空速。
3.2 温度对反应活性的影响
实际上，对应于不同烟气组成和催化剂性质的SCR系统均存在一个最佳的反应温度范围。温度过低时，氧化还原反应速率降低，系统的脱硝效率减小；在高温环境下，催化剂可能出现烧结的现象，对脱硝效率造成负面影响。因此，SCR系统的最佳反应温度应取决于烟气组成和催化剂性质等因素。
3.3 氨氮比对反应活性的影响
氨氮比指的是参与反应的NH3和NOx物质的量的比值。在理想条件下，若二者比值为1，即无反应物残留，全部转变成N2和H2O。若氨氮比小于1，反应后还有部分Nox残留，此时会影响到脱硝的效果。当氨氮比大于1时，过量的NH3会与烟气中的氧气、SO2、SO3等发生副反应，导致氨逃逸及脱硝效率的降低。因此，SCR系统的最佳氨氮比应在保证最佳脱硝效率的基础上，有效控制NH3的逃逸量，依照现场测试结果进行确定。
4 结语
在实际运行的SCR系统中，反应活性起到重要的作用，反应活性直接决定了脱硝效率。影响反应活性的因素包括了催化剂特性以及空速、温度、氨氮比等。为了得到更好的反应活性剂脱硝效率，应综合考虑各个方面的因素，选取达到最佳脱硝效率的反应参数，更有效地控制氮氧化物的排放，从而保护环境，促进社会和经济的可持续性发展。
参考文献
[1] 高岩.选择性催化还原脱硝催化剂的实验与机理研究[D].山东：山东大学，2013.
[2] 郝玉振.火力发电厂SCR脱硝技术用催化剂性能试验研究[D].山东：山东大学，2009.
[3] 夏怀祥，段传和.选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝[M].北京：中国电力出版社，2012.
关键词：选择性催化还原 催化剂 反应活性
中图分类号：X701 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（a）-0102-02
氮氧化物（NOx）是导致大气污染的罪魁祸首之一，它主要指的是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、三氧化二氮（N2O3）等。NOx对人体健康有极大的损害，当NOx溶解在雨水中时会变成酸雨，腐蚀建筑，使土壤变性，危害生态健康。此外，NOx在紫外线作用下发生光化学反应形成光化学烟雾，对环境及健康带来威胁。因此，降低工业生产过程中NOx的排放量具有极其重要的现实意义。
尤其在燃煤电厂中，NOx的生成量较大，NOx排放控制技术是非常必要的。根据NOx的生成机理以及脱除经验，通常将其分为3类：（1）燃烧前控制技术；（2）燃烧中控制技术；（3）燃烧后控制技术。
在诸多NOx排放控制技术中，选择性催化还原法（SCR）脱硝技术是国际上应用最多、技术最为成熟且效率最高的脱硝技术之一，得到了大面积工业化。本文中，针对SCR脱硝技术进行研究，重点探讨在应用该技术时和催化反应效果有关的各项因素。
1 选择性催化还原法（SCR）工艺
SCR（Selective Catalytic Reduction）技术由美国Eegelhard公司发明，日本率先在20世纪70年代对此方法实现了工业化。大部分的燃煤发电厂选择使用NH3作为还原剂对气体进行脱硝处理，处理过程是通过NH3和NOx的反应实现的，在合适的温度环境下掺入催化剂促进反应的发生，形成的产物是无害的N2。这种方法也被称为选择性催化还原法。原因在于NH3会优先和Nox反应而不是O2。
通常情况下NH3-SCR反应的主反应如下：
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O
4NH3+6NO→5N2+6H2O
8NH3+6NO2→7N2+12H2O
另外CO、H2、甲烷、乙烷、丙烷、丙烯等催化剂也能够作为SCR反应中的还原剂。通过使用适当的催化剂并控制还原剂和NOx的摩尔比例，可以得到80%～90%以上的脱硝率。
2 SCR反应对催化剂的要求
选择哪一种催化剂，很大程度上决定了SCR反应的脱硝效率。选择催化剂的基本要求是：活性强、成本低廉、能够多次使用、不形成二次污染等。在这些要求中，最终影响反应的催化活性的最重要的一项则是要具有高活性。因此，选取具有较高催化活性的催化剂是提高脱硝效率的关键。
催化剂自身结构对催化活性有较大的影响，这些影响体现在催化剂的比表面积、孔隙率、平均孔径及孔径分布等方面。
2.1 比表面积
比表面积指的是单位质量物质的表面积。从反应机理的角度来看，SCR反应是一种多相催化反应，催化剂会将反应物的分子吸附在其表面，创造更好的反应条件，所以比表面积是衡量催化活性的重要指标。若将催化剂制作成多孔的结构，其比表面积将会大幅提高，催化活性增强，脱硝率得到提高。
2.2 孔隙率
物质内部的孔隙和整个颗粒二者体积的比值即为孔隙率。孔径和比表面积均和孔隙率有关。通常情况下，比表面积、催化活性和孔隙率之间呈正相关关系，但若孔隙率太大，催化剂的机械强度将会有所降低。因此要综合考虑催化效率及极限强度的影响，选取适合的催化剂孔隙率大小。
2.3 平均孔径及孔径分布
比孔体积和比表面积的比值即为平均孔径。孔径分布则是衡量催化剂中各种孔隙分布状况的重要指标。当反应物的分子进入孔隙并在其中运动时，若孔径分布不均匀，催化剂的活性将会因此而降低。因此，要实现最可观的催化活性，要尽量使催化剂中的孔径均匀地分布。
通过上述分析可知，在为SCR反应选择催化剂种类时，需要考虑以下6点。
（1）在较广泛的工作温度区间内能够保持高水平的活性。
（2）具有较高的选择性。
（3）较稳定，难以和反应物或其他物质发生反应。
（4）当温度明显上升时，能够保持良好的热稳定性。
（5）机械稳定性好，在部分磨损的情况下依旧保持良好的活性。
（6）受压力影响小，使用寿命长。
3 SCR反应活性的影响因素
SCR反应从机理上是多相催化反应，多相催化反应的反应步骤大体分为如下五步：（1）反应物分子随着气流运动，不断地向催化剂表面及孔内扩散；（2）吸附在催化剂内表面；（3）和气相分子发生反应；（4）反应产物离开催化剂内表面；（5）产物进入到孔隙中并随着气流逸散。反应物首先经过外扩散和内扩散的传质过程，随后在催化剂表面经过化学反应过程完成化学反应过程。传质过程的速率，主要是由催化剂结构以及流体流型所决定；化学反应的速率，主要由催化剂的外观结构、性质以及反应环境所决定。下面对影响SCR反应效率的主要影响因素进行简要说明。
3.1 气时空速对反应活性的影响
气时空速一般是指单位体积的催化剂在单位时间内所处理的气体量，反映了烟气与催化劑表面的接触时间。低空速会促进反应物分子NOx、NH3移动到催化剂的外部和孔隙中，这对脱硝反应的进行是非常有利的，但在一定程度上阻碍反应产物离开催化剂。高空速可以使反应产物能够在更短的时间内离开催化剂，但会抑制反应物的吸附和孔隙内的运动，使脱硝反应速度降低。此外，低空速需要SCR系统中布置更大体积的催化剂，增加系统的成本投入。所以，在实际操作中，要从脱硝效率、脱硝总成本、功耗等多个角度进行全面的考量，选择最合适的空速。
3.2 温度对反应活性的影响
实际上，对应于不同烟气组成和催化剂性质的SCR系统均存在一个最佳的反应温度范围。温度过低时，氧化还原反应速率降低，系统的脱硝效率减小；在高温环境下，催化剂可能出现烧结的现象，对脱硝效率造成负面影响。因此，SCR系统的最佳反应温度应取决于烟气组成和催化剂性质等因素。
3.3 氨氮比对反应活性的影响
氨氮比指的是参与反应的NH3和NOx物质的量的比值。在理想条件下，若二者比值为1，即无反应物残留，全部转变成N2和H2O。若氨氮比小于1，反应后还有部分Nox残留，此时会影响到脱硝的效果。当氨氮比大于1时，过量的NH3会与烟气中的氧气、SO2、SO3等发生副反应，导致氨逃逸及脱硝效率的降低。因此，SCR系统的最佳氨氮比应在保证最佳脱硝效率的基础上，有效控制NH3的逃逸量，依照现场测试结果进行确定。
4 结语
在实际运行的SCR系统中，反应活性起到重要的作用，反应活性直接决定了脱硝效率。影响反应活性的因素包括了催化剂特性以及空速、温度、氨氮比等。为了得到更好的反应活性剂脱硝效率，应综合考虑各个方面的因素，选取达到最佳脱硝效率的反应参数，更有效地控制氮氧化物的排放，从而保护环境，促进社会和经济的可持续性发展。
参考文献
[1] 高岩.选择性催化还原脱硝催化剂的实验与机理研究[D].山东：山东大学，2013.
[2] 郝玉振.火力发电厂SCR脱硝技术用催化剂性能试验研究[D].山东：山东大学，2009.
[3] 夏怀祥，段传和.选择性催化还原法（SCR）烟气脱硝[M].北京：中国电力出版社，2012.