脱氮催化剂的综述

脱氮催化剂的综述

摘要本文介绍了选择性催化还原(SCR)、NSR技术、催化加氢脱氮(HDN)技术的反应机理,并对3种催化脱氮技术的发展前景作了展望。

关键词SCR;NSR;HDN;反应机理;展望

0 引言

NOX作为废气是形成化学光雾和酸雨等环境问题的原因之一,因此有效处理排放的NOX是我国急需解决的大气问题。氮氧化物可采用多种催化方法处理,如选用选择性催化还原(SCR)技术、NSR技术、催化加氢脱氮(HDN)技术等。

1 脱氮催化剂及反应机理

下面介绍了SCR、NSR、HND三种催化脱氮技术的反应机理及其使用的催化剂。

1.1 SCR技术

1.1.1 SCR的反应机理

SCR化学反应主要是在催化剂存在的条件下,采用氨或甲烷、乙烯、丙烷、丙烯等碳氢化合物等作为还原剂,将烟气中的NOX催化还原为N2。其反应可表示如下:

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O

该法效率高、选择性好,广泛应用于发达国家。但该技术有一个缺点——催化剂成本较高。

1.1.2 SCR的催化剂

在SCR技术中,可采用3种不同类型的催化剂:贵金属催化剂,金属氧化物催化剂和离子交换的沸石分子筛催化剂。

应用最广泛的是金属氧化物,该种催化剂大都是负载在锐钛矿晶型二氧化钛上的钒氧化物,并以钨与钼作为辅助催化剂,该催化剂体系还原和氧化性能最佳。在烟气温度较低的场合适宜使用贵金属型催化剂,可节省能量,且占地小。

1.2 NSR技术

典型NSR催化剂一般由贵金属,碱金属或碱土金属和载体组成。氧化还原组分为贵金属(如Pt),储存组分微碱土金属氧化物(如BaO),载体主要是采用γ-Al2O3。因此,NSR催化剂具有氧化还原和储存双功能,作用机理如图所示:

1.3 HDN技术

1.3.1 HDN的反应机理

一般来说,HDN的脱氮过程主要涉及以下3类反应:

1)杂环的饱和;

2)芳环的加氢饱和;

3)C—N键的氢解断裂。

其中,前两类类反应属于加氢反应,第三类反应是HDN反应得关键步骤。因此,要求催化剂要满足2)、3)的反应要求,即需具有加氢和C—N键断裂2种功能。在HDN反应中,加氢反应是可逆反应,而正常反应条件下的C—N键断裂为不可逆反应。

1.3.2 HDN的催化剂

1)金属活性组分

过渡金属元素具有未填满的d电子层,使反应物和催化剂之间能形成共价键,从而使之具有催化活性。在HDN的加氢脱氮过程中,常以双金属作为活性组分,使它们之间能够相互协同,以产生较好催化活性。

2)载体

加氢催化剂的载体分为中性载体和酸性载体。中性载体可采用活性氧化铝、硅藻土、活性炭等;酸性载体主要采用硅酸铝、硅酸镁、分子筛、活性白土等,载体可以为活性组分提供较大的比表面,使活性组分分散良好。这样的催化剂体系具有一定机械强度,其机械性状和大小也较符合流体力学条件。目前,在工业上采用的加氢精制催化剂一般是以Al2O3为载体,这种催化剂组织结构良好,热稳定性也较好。但其也有确定,因为这种载体与活性组分间可形成较强的作用,对催化活性位的形成不利。近些年来也在研究和开发其他的载体替代Al2O3载体。

2 前景展望

目前,虽然国际上SCR技术已日渐成熟,但在氧化气氛下还原NOX仍是一项值得研究的技术。如何提高选择性还原NOX的效率,亦是研究的主要课题之一。就研究现状而言,研究者还需在以下几个方面开展工作:1)并提高催化剂机械性能的实用性;2)使NOX得还原效率进一步增强;3)需对催化剂作用机理加深理解,如电子相互作用,精确的动力学和反应机理模型等。

对于HDN催化剂,研究者需提高和改善其性能,使其具有更高的活性,需要加强以下几个方面的研究:1)为改变催化剂载体酸性添加助剂,从而减小载体和活性组分的相互作用,使活性组分分散良好;2)使用新的载体代替Al2O3,以弥补氧化铝某方面的不足,使催化体系具有更优良的性能;3)使用新型活性组分,取代原有的加氢脱氮活性组分;4)对催化剂及载体的制备工艺进行相关改进,以提高催化剂体系的整体性能。

3结论

当前,我国已经迈入了节能减排新时期,减少烟气中NOX的污染已迫在眉睫。面对这一任务,我们一方面要对烟气的燃烧技术进行改进,抑制抑制NOX的生成;另一方面我们要加强对排烟中NOX的净化处理。随着我国一些相关政策法规的实施以及烟气脱氮技术的发展,我国烟气脱氮将进入一个全新的发展时期。

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