【www.zhangdahai.com--可行性研究报告】
张伟辉
（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）
伴随我国工业发展迅猛势头和经济快速增长,能源消费给生态环境带来非常严重污染和破坏。煤炭燃烧过程容易产生许多环境污染物。氮氧化物（NOx）是煤炭燃烧过程产生的污染物之一，给人类和动植物的健康带来巨大危害，又是大气中形成光化学烟雾和酸雨的主要危害因素，同时容易对臭氧层造成破坏形成温室效应，提升地球环境温度，对自然环境和人类健康带了严重影响。煤炭、石油、天然气等化石燃料燃烧形成的SO2、NOx等污染物的综合治理受到世界各国的高度重视。
当前，火电厂NOx控制治理技术主要有两大类：第一类为燃烧过程控制技术，通过改变燃烧方式和调整生产工艺减少NOx排放量；
第二类为末端控制技术，即脱硝（De-NOx）技术，分为选择性催化还原技术（SCR）和非选择性催化还原技术（SNCR），其中选择性催化还原技术（SCR）技术应用较为广泛，将烟气中的NOx固定到含有催化剂的反应器中，通过注入尿素、氨等脱硝剂选择性地将NOx催化还原为N2。选择性催化还原（SCR）技术具有去除效率高、选择范围广和经济实用等特点，是一种广泛实用的NOx脱除技术。
针对选择性催化还原（SCR）技术，催化剂对SCR系统的脱硝效果影响较大。目前，国内外研究和应用较广泛的催化剂主要包括贵金属、金属氧化物、分子筛和碳基材料等，其中V2O5催化剂的脱硝效果最佳。本文以SCR 工艺技术为基础，采用钒基催化剂（V2O5）烟气脱硝开展应用与研究。
1.1 SCR 脱硝工艺简介
选择性催化还原技术（SCR）是当前烟气脱硝工艺中效率最高、技术最成熟的工艺。早在1975 年，日本Shimoneski 公司火电厂就建立了全球第一个SCR系统，不久之后该技术在日本得到推广应用；
欧洲多国也广泛应用该项技术，在120 多台大型装置进行了应用实证，NOx脱除率达到80%～90%。据统计，日本约有170 套装机容量100GW 的火力发电装置安装了（SCR）脱硝系统；
美国将SCR 技术作为电厂控制NOx的主要技术。目前，SCR 技术已成为国内外火力发电行业脱硝比较成熟的工艺技术，典型火电厂烟气SCR工艺流程见图1。
图1 典型火电厂烟气SCR 脱硝工艺流程图
1.2 选择性催化还原（SCR）技术脱硝原理
选择性催化还原（SCR）技术的基本原理是利用氨、尿素和苛性氨等还原剂在催化剂表面上进行催化还原反应，选择地将NOx还原为N2和H2O。若未安装催化剂，脱硝还原反应要在900～1 100 ℃温度条件下才能发生；
在催化剂的助力下SCR 脱硝化学反应发生温度约为250～450 ℃。若使用低温催化剂，工艺反应温度还可以降至约200 ℃，其中应用最为广泛的还原剂是氨，NH3-SCR 是通过将NH3喷入燃烧炉膛内，NH3在催化剂的作用下有选择地将NOx还原为N2和H2O[7]，催化作用机理见下页图2，主要化学反应式如式（1）、式（2）：
图2 催化作用机理
近年来，国内外广泛研究的SCR 型催化剂是V2O5（质量分数0.3%～1.5%）的钒基催化剂，特别是以90%TiO2为载体，在260～450 ℃最佳反应温度条件，以WO3为助剂的V2O5-WO3/TiO2复合氧化物催化剂脱硝转化率最佳，可最大限度将NOx还原为N2和H2O，而且已实现了商业化应用。
通过查阅资料和分析研究，高活性的金属氧化物催化剂通常在NH3-SCR 氧化反应中有较高催化活性[1]。V2O5是一种常用的氧化催化剂，可用于氯酚、甲醇、丙烷、戊烷、丙烯等各种有机物和无机物的氧化反应[2]。
2.1 钒基催化剂及应用范围
目前，国内主流SCR 工艺催化剂是以V2O5为主要活性组分的脱硝催化剂，以TiO2、SiO2、ZiO2或碳基材料等为载体，构建大比表面积的微孔结构系统，在SCR 还原反应中活性相对较小。钒基SCR 脱硝催化剂研究主要集中于在载体选择、催化剂活性改善、中毒机理和低温活性分析等。通常选择TiO2为SCR 催化剂载体进行研究应用，主要有以下两方面的原因[3]：
1）在TiO2载体上V2O5可以实现高度分散，形成特有的V5+活性中心，而且V2O5负载持续增加后将形成聚合钒酸盐物质，给SCR 反应提供了更多的活性反应基础。
2）煤炭等化石燃料含有硫份，在SCR 反应产生的烟气含有一定的SO2，经氧化反应后生产SO3，与SCR 催化剂的载体反应后形成硫酸盐，导致SCR 活性逐步下降。当以TiO2作为SCR 催化剂载体，Ti（SO4）2或TiOSO4在300 ℃左右即可进行分解，因此在SCR反应过程中TiO2载体受SO2或SO3影响很小而且是可逆的。在实际生产应用中，少量的硫酸盐会增强V2O5/TiO2催化剂表面酸性，影响并增加NH3吸附容量，提供更多的还原剂给SCR 反应，进一步提高了NH3-SCR 的反应活性[3]。
2.2 SCR 钒基催化剂脱硝机理
在实际生产过程中，针对SCR 钒基催化剂，SCR反应过程是NO 气体和吸附在钒基催化剂上的NH3，遵循Eley-Rideal 反应机理。图3 为V2O5-WO3/TiO2上NH3和NOx反应机理。在NH3-SCR 脱硝反应中，催化剂表面存在Lewis 酸位、Bronsted 酸、Topsθe 等，其中SCR 反应的活性位是V-OH 基团的Bronsted 酸位，氨吸附在V-OH 酸位上，SCR 反应与Bronsted 酸性位上的NH4+有关，中间体为NH4+（ads）；
但是Ramis 等认为钒的Lewis 酸酸位是反应的活性位，氨分子吸附在钒的Lewis 酸位上，SCR 反应与Lewis 酸性位上的NH3有关，中间体为NH2（ads）[4]。
图3 V2O5-WO3/TiO2 上NH3 和NOx 反应机理
通常V2O5/TiO2催化剂V2O5负载量一般不超过1%，高负载量的V2O5一定程度上可以提高催化剂低温SCR 活性，同时也会导致更多的SO2氧化生成SO3，水蒸气存在时产生大量硫酸雾，从而导致SCR 脱硝系统管路设备腐蚀，而且产生的硫酸雾与NH3还原剂反应生成硫酸铵或硫酸氢铵[5-6]。因此，在SCR 反应系统中选择合适的V2O5负载量尤为重要。
根据全球生态环境保护紧迫性和必要性，结合《巴黎协定》有关“碳排放”工作要求，以及国内生态环境保护高压态势和大气污染防治工作要求，国内外对化石燃料燃烧烟气NOx、SO2等污染物控制治理技术开展了大量研究和分析。钒基催化剂在SCR 脱硝应用技术上趋于成熟，已成为发达国家固定源NOx脱除的主流工艺，现今我国大多数新建火电锅炉及60T/H以上的燃煤锅炉大多都在积极推进SCR 技术应用。因此，找到技术可行、经济合理的脱硝技术，仍需付出更多的研究和开发，以纳米钒催化剂、综合利用钒钛磁铁矿的V-Ti 复合催化剂等新型高效脱硝催化剂的开发研究和推广应用，会带来更好的治理效果和经济效益。
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