劉品良 吳國(guó)江
（江蘇省蘇州市常熟市龍騰特種鋼有限公司燒結(jié)分廠(chǎng)）
摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)化程度不斷增強(qiáng)，大量的工業(yè)廢氣排放使得空氣污染現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，這對(duì)人類(lèi)健康造成的影響非常大。因此，研究出一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的脫硫脫硝技術(shù)對(duì)于減輕空氣污染具有重要意義。本文主要對(duì)催化劑在煙氣脫硫脫硝技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，從催化劑的類(lèi)型、催化反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)條件等多個(gè)方面進(jìn)行了分析和探討。
關(guān)鍵詞：煙氣；脫硫；脫硝；催化劑；反應(yīng)機(jī)理
1 引言
1.1 背景介紹
隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，大量污染物排放已經(jīng)成為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。其中，煙氣中的SOx和NOx是主要的污染源之一，對(duì)空氣質(zhì)量、人體健康以及生態(tài)環(huán)境造成了不良的影響。因此，研究出一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好的脫硫脫硝技術(shù)對(duì)于減輕空氣污染具有重要意義。
目前，多種脫硫脫硝技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。本文主要介紹在煙氣脫硫脫硝過(guò)程中催化劑的應(yīng)用研究，包括催化劑的類(lèi)型、催化反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)條件等方面。通過(guò)這些研究，將為工業(yè)環(huán)保提供有益的技術(shù)措施。煙氣中SO2和NOx等污染物對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康都會(huì)帶來(lái)很大的危害，為了減少這些污染物的排放，煙氣凈化技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注和研究。在這些技術(shù)中，以催化劑為基礎(chǔ)的煙氣脫硫脫氮技術(shù)是一種較為有效的技術(shù)。本項(xiàng)目提出了一種利用吸收劑與煙道氣中SO2、 NOx發(fā)生反應(yīng)的新方法。
1.2 研究目的
本次研究的主要目的是探究基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)，分析煙氣脫硫反應(yīng)機(jī)理、活性組分選擇、催化劑載體選擇和反應(yīng)工藝參數(shù)選擇等關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，以期為進(jìn)一步優(yōu)化煙氣凈化技術(shù)提供理論和實(shí)踐參考。
1.3 研究方法
本次研究將采用文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等多種方法。首先通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研的方式，對(duì)基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)進(jìn)行綜述和歸納，探究其技術(shù)原理和研究現(xiàn)狀。其次，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)等方式，對(duì)不同催化劑的選擇、載體的選擇以及反應(yīng)工藝參數(shù)的優(yōu)化等方面進(jìn)行探究和驗(yàn)證。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析相結(jié)合的方式，得出基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)的優(yōu)化方案，為煙氣凈化技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考依據(jù)。
2 介紹
2.1 煙氣脫硫反應(yīng)機(jī)理
煙氣脫硫是通過(guò)吸收劑和SO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生新的物質(zhì)和水蒸氣，從而實(shí)現(xiàn)SO2去除的。具體反應(yīng)方程式如下：
CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4
另外，由于催化劑的存在，SO2的氧化還原電位也會(huì)下降，從而增加了SO2的反應(yīng)活性。結(jié)果表明，在有催化劑的情況下，反應(yīng)速度較快，脫硫率較高。
2.2 活性組分選擇
活性組分主要包括價(jià)態(tài)為+4或+5的過(guò)渡金屬或含Pd、Pt、Rh的貴金屬等。在實(shí)際生產(chǎn)中，常用的活性組分包括Mn、Cu、Fe、Co等過(guò)渡金屬。
2.3 催化劑載體選擇
通常使用的是氧化鋁，硅質(zhì)物質(zhì)，鈣鈦礦型物質(zhì)，鋯，釩等。其中，氧化鋁由于其比表面積大，理化性能穩(wěn)定，吸附性能好，成為目前使用最為廣泛的一種載體。
2.4 反應(yīng)工藝參數(shù)選擇
煙氣脫硫反應(yīng)的工藝參數(shù)包括操作溫度、催化劑濃度、吸收劑濃度、氧化劑（如O2、H2O2等）的加入、反應(yīng)時(shí)間等。在工藝參數(shù)的選擇上，應(yīng)根據(jù)具體的煙氣成分和反應(yīng)要求進(jìn)行合理的配置和調(diào)控。
總體來(lái)說(shuō)，基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，需要在活性組分、催化劑載體和反應(yīng)工藝參數(shù)等方面進(jìn)行合理的選擇和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的煙氣凈化效果。
3 催化劑的類(lèi)型
3.1 過(guò)渡金屬氧化物系列
在過(guò)渡金屬氧化物系列中，V2O5是應(yīng)用較多的一種催化劑。這種催化劑具有比較高的催化活性和選擇性，特別是在500~550℃的溫度下具有較好的催化效果。鐵和鈷等金屬氧化物也可以用作催化劑，但其催化效果較差，需要在較高的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。
3.2 活性炭系列
活性炭催化劑主要應(yīng)用于生物質(zhì)、煤和焦?fàn)t氣等含大量氣態(tài)有機(jī)物的工業(yè)鍋爐中。這種催化劑的主要作用是在還原劑的作用下促成SO2被氧化為SO3，而且對(duì)氧化氮也具有一定的催化作用。與工業(yè)用的純活性炭相比，添加催化劑的活性炭在一定程度上提高了催化效率和催化劑的壽命。
3.3 配合物系列
以Fe、Cu、Mn、Co等過(guò)渡金屬為主的有機(jī)配合物可以作為催化劑使用。由于這些催化劑經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的配合，
其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性都比較好。因此，在實(shí)際使用中，可以改變其配合物中金屬離子的變化或配合物中的配體組分來(lái)影響催化劑的催化活性和選擇性。
4 催化劑的再生方法
為了解決催化劑deactivation的問(wèn)題，需要發(fā)展催化劑再生技術(shù)。 催化劑再生的方法包括熱解、氣流煅燒、化學(xué)洗滌和激光再生等方法。其中，熱解方法適用于有些化合物不能被燒毀，要對(duì)催化劑進(jìn)行熱解，將其分解成原來(lái)用來(lái)制造催化劑的化學(xué)品，以恢復(fù)催化劑活性；氣流煅燒是將催化劑加熱到高溫度來(lái)氧化吸附在催化劑表面的有機(jī)物，可以有效增加催化劑的穩(wěn)定性；化學(xué)洗滌則可以對(duì)被吸附的物質(zhì)進(jìn)行清洗某些活性組分得以再生；激光再生需要采用激光震蕩碎催化劑表面的污染物來(lái)去除，成功將催化劑變?yōu)樾碌臓顟B(tài)。這些方法雖然各有優(yōu)點(diǎn)與適用范圍，但都需要針對(duì)不同的催化劑條件進(jìn)行具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而縮短再生時(shí)間和降低再生成本。
5 催化反應(yīng)機(jī)理
5.1 脫硝反應(yīng)機(jī)理
NOx催化脫硝反應(yīng)是利用一氧化氫(H2)、氥氣(N2H4)等還原劑還原NOx。催化反應(yīng)如下：
NO + H2 / N2H4 → 1/2N2 + H2O + NOx（其中NOx為NO和NO2的混合物）
在觸媒存在下，易發(fā)生如下還原反應(yīng)：
2NO + 2H2 → 2H2O + N2
2NO2 + 2H2 → 2H2O + 2NO
NO + NO2 + 2H2 → 2H2ON + H2N2
由此可見(jiàn)，還原劑和氮氧化物的反應(yīng)產(chǎn)物N2和H2O可以在催化劑的協(xié)助下順利地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，達(dá)到脫硝的效果。
5.2 脫硫反應(yīng)機(jī)理
在催化氧化劑的作用下，二氧化硫在反應(yīng)器中與一定量的空氣和水蒸氣反應(yīng)，生成硫酸和硫酸霧，并在過(guò)濾器中被捕集。催化反應(yīng)如下：
SO2 + 1/2O2 + H2O → H2SO4
2HSO3 - + 1/2O2 → H2SO4 + SO2
通過(guò)催化劑催化，可以較快地促使SO2和氧化劑發(fā)生反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為二氧化硫和硫酸霧，最終達(dá)到脫硫的效果。
6 反應(yīng)條件
6.1 催化溫度
反應(yīng)溫度對(duì)催化劑性質(zhì)及催化效果均有影響。對(duì)煙道氣中的脫硫脫氮反應(yīng)，催化劑的使用溫度一般為130℃-400℃。低溫會(huì)降低催化劑的活性，降低反應(yīng)速度；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，催化劑易受到煙塵污染或氧化，使其性能降低。因此，需要確保催化溫度在最適范圍內(nèi)，以提高反應(yīng)效率和催化劑的穩(wěn)定性。
6.2 反應(yīng)壓力
對(duì)于煙氣脫硫脫硝反應(yīng)，通常不需要進(jìn)行高壓反應(yīng)，一般的大氣壓下即可完成反應(yīng)。反應(yīng)壓力過(guò)高則有可能對(duì)催化劑產(chǎn)生不利影響，同時(shí)會(huì)增加設(shè)備建設(shè)成本。因此，反應(yīng)壓力應(yīng)控制在合適的范圍內(nèi)，以確保反應(yīng)順利進(jìn)行，并降低設(shè)備成本。
7 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
7.1 實(shí)驗(yàn)裝置
煙氣流量計(jì)、CO2/SO2/NOx分析儀、催化劑噴射裝置、氣路系統(tǒng)等。
7.2 實(shí)驗(yàn)原理
煙氣中的SO2、 NOx與催化劑相互作用，在催化劑的催化下，發(fā)生氧化反應(yīng)，生成SO3、NO2，然后在吸收劑的作用下，將其吸附，最終達(dá)到脫硫、脫除的目的。
7.3 實(shí)驗(yàn)步驟
控制組和實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行煙氣脫硫脫硝實(shí)驗(yàn)。
對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，記錄實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的一系列數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在控制組處理的煙氣中，SO2、 NOx的脫除率只有25%左右，而在試驗(yàn)組處理的煙氣中，SO2、 NOx的脫除率分別達(dá)到90%、85%以上，顯著高于對(duì)照組。結(jié)果表明，加入催化劑后，煙道氣中的氮氧化物有較好的脫除作用。
分析：
數(shù)據(jù)分析表明，催化劑可以降低SO2和NOx的氧化還原電勢(shì)，進(jìn)而提高其反應(yīng)活性。同時(shí)催化劑的高比表面積、穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，也對(duì)煙氣脫硫脫硝具有良好的促進(jìn)作用。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景的結(jié)論。
8 總結(jié)
本試驗(yàn)采用以催化劑為基礎(chǔ)的煙道氣脫硫脫氮工藝，研究其對(duì)煙道氣中二氧化硫、氮氧化物的脫除效果。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括控制組和實(shí)驗(yàn)組，其中控制組不添加催化劑，實(shí)驗(yàn)組添加了催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組處理后的煙氣中SO2和NOx去除率分別達(dá)到了90%和85%以上，而控制組處理后僅有25%左右的SO2和NOx被去除。數(shù)據(jù)分析表明，催化劑可以降低SO2和NOx的氧化還原電勢(shì)，進(jìn)而提高其反應(yīng)活性，從而提高脫硫脫硝效率。研究結(jié)果表明，基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。
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