控制氮氧化物排放的低温SCR催化剂及工程应用

        国外文献[5]用共沉淀法制备了M-Mg-Al的水滑石（其中 M=Cu2+,Co2+和Cu2++Co2+）催化剂，比较了它们的混合催化特性。研究结果表明：Cu-Mg-Al＞Cu-Co-Mg-Al＞Co-Mg-Al，其中Cu-Mg-Al在温度为200～250 ℃范围内表现出80%～ 95%的脱硝效率，但该文献对烟气中存在的SO2和水蒸汽的影响没有深入讨论。

        国外文献[6]报道了MCr2O4 (M =Mg, Zn, Fe, Co, Ni, Cu) 的催化剂，在250 ℃左右能达到60%以上的脱硝效率。锰（Mn）被认为具有非常突出的低温催化特性。国外文献[7]报道的锰的复合型催化剂Mn-Ce-Ox是目前报道的低温SCR催化剂中活性最高的催化剂，实验研究表明在 Mn/(Mn+Ce)的比例为0.3时，该催化剂在低温下（120 ℃）和很高的流速下保持近乎100%的脱硝效率。研究结果表明，复合型的催化剂比任何一种单一组分的效果都好。

        在中温情况下（300～400 ℃），钒的氧化物对NO的催化转化率较高，但容易把烟气中的二氧化硫氧化形成三氧化硫，再与氨反应形成硫氨化合物，粘附在催化剂表面使催化剂中毒，所以商业的中温SCR催化剂V2O5-WO3 (MoO3)/TiO2 中往往控制V2O5含量。但最近公布的研究资料表明，在低温的SCR系统中，钒的氧化物不仅具有一定的脱硝效率，而且对于低浓度的SO2具有较好的抗毒作用，这可能是低温下钒对二氧化硫氧化率比较低。国外文献[8]证实了负载在炭-陶瓷载体上的钒具有较好的低温特性，同时该催化剂对二氧化硫的抗毒能力大于目前报道的锰的催化剂。但烟气中存在的水蒸汽对该催化剂还是稍微有影响，研究结果表明，水蒸汽对它的影响主要是水蒸汽分子吸附在催化剂表面，造成了对 NO吸附量的减少。国外文献[9]报道了在蜂窝载体上负载碳材料，再在碳材料上负载V催化剂，进行了低温SCR特性研究，在150 ℃温度下得到了59.8%～72.1%的脱硝效率，在180 ℃温度下得到68%～78.6%的脱硝效率。

        国内中国科学院山西煤化学研究所也对负载在炭蜂窝载体上的V2O5进行研究，在200 ℃温度下，该催化剂不仅具有一定的脱硝效果，而且同时具有抗SO2毒害的性能[10～12]。文献[13～14]报道了在丝光沸石与分子筛上负载Ce催化剂，不仅得到比较高的脱硝效率，而且可以把没有反应完全的NH3转化为N2，减少了NH3的二次泄漏。

        南开大学环境学院最近以炭材料为载体，在实验室下合成了以Mn、V和Ce构成的复合氧化物为催化剂，在低温下具有较高的脱硝效率，同时对烟气中存在的二氧化硫具有一定的抵抗能力。开发具有工程实用性的低温SCR催化剂和载体仍然需要进一步研究。

        2.2 低温SCR 工程应用

        (1) 催化剂选择和催化剂典型设计参数

        催化剂的选择是SCR工程设计的重要组成部分，因为催化剂型式和添加量与脱硝效率及脱硝投资有着很大的关系。不同的催化剂或不同配比的催化剂其脱硝效率、选择性、对SO2氧化率、自身物化特性、使用温度、稳定性、使用寿命等都有很大不同。因此，催化剂的选择是关系到脱硝效率及投资、运行的关键所在。工程实际选择时，应依据所使用的烟气状况、脱硝效率、投资额度等相关要求，在充分评价与论证的基础上进行合理选择。

        在工业生产中，催化剂的设计主要涉及到的是催化剂支撑材料和活性材料的配比、催化剂的基本型式和尺寸等。既要考虑到如何发挥催化剂的最大效率和尽可能地延长使用寿命，减少气体的压降和催化剂的阻塞，同时又要兼顾到具体使用场地的具体条件。下表为日本触媒的催化剂的一些基本规格参数和适用工况。

        低温SCR可以用蜂窝状碳材料为载体，上面再负载低温型的催化剂来实现。碳材料载体的开发和应用是低温SCR的关键。

        (2) 低温SCR 反应器设计和布置

        低温SCR系统在电厂中的布置一般采用的是尾部布置，反应器内催化剂的填装也可以采用传统的的2+1 设计模式（见图2）。即：反应器具有三层催化剂的总添加容量，在初期运行先添加两层催化剂预留一个催化剂添加位，当催化剂活性降低，尾部NOx 监测显示超出允许排放范围时，再添加第三层，从而充分有效地利用催化剂，使系统保证运行效率同时减少运行成本。催化剂层上安置吹灰器，目前采用的吹灰方式大多是高压蒸汽吹灰，也可以采用先进的超声波吹灰器以减少对催化剂本身的影响。在烟气的进口百叶窗对烟气流量进行调整和控制，保证催化剂的利用率。在反应器的进气和出气管道间安设旁路，从而保证SCR 反应器在锅炉运行时进行必要的催化剂更换和故障检修。