燃煤电厂SCR 烟气脱硝过程机理
SCR 的化学反应机理比较复杂,主要是NH3 在一定的温度和催化剂的作用下,有选择地把烟气中NO 的还原为N2 ,同时生成水。催化的作用是降低分解反应的活化能,使其反应温度降低至150 - 450 ℃之间,其反应可表示如下:
4NO + 4NH3 + O2 →4N2 + 6H2O (1)
NO + NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O(2)
6NO2 + 8NH3 →7N2 + 12H2O (3)
其中第一个反应是最主要的,因为烟气中NOx 几乎是以NO的形式存在,在没有催化剂的情况下, 这些反应只能在很窄的温度范围内(980 ℃左右) 进行。通过选择合适的催化剂,反应温度可以降低,并且可以扩展到适合电厂实际使用的290 - 430 ℃范围。
在反应条件改变时,还可能发生以下反应:
4NH3 + 3O2 →2N2 + 6H2O + 1267. 1 kJ (4)
2NH3 →N2 + 3H2 - 91. 9 kJ (5)
4NH3 + 5O2 →4NO + 6H2O + 907. 3kJ (6)
发生NH3 分解的反应和NH3 氧化为NO 的反应都在350 ℃以上才进行,450 ℃以上才剧烈起来。在一般的选择性催化还原工艺中,反应温度常控制在300 ℃以下,这时仅有NH3 氧化为N2 的副反应发生。
但是在某些条件下,在SCR 系统里也会产生如下的不利反应:
SO2 + 1/2O2→SO3 (7)
NH3 + SO3 + H2O →NH4HSO4 (8)
2NH3 + SO3 + H2O →(NH4 ) 2HSO4 (9)
SO3 + H2O →H2 SO4 (10)
反应中形成的NH4HSO4 和(NH4 ) 2 SO4 很容易对空气预热器进行粘污,对空气预热器影响很大。
NH3 和NOx 在催化剂上的反应是遵循Eley - Rideal 机理,即NH3 选择吸附在催化剂表面上的酸性中心位(B 酸及L酸) 并得到活化,气相中的NO 分子与其反应,并消耗催化剂表面活性氧而生成N2 和H2O ,气相中的氧通过催化剂内传递而更新表面氧从而完成催化循环。NH3 和NOx 在催化剂上的反应主要过程为:
①NH3 通过气相扩散到催化剂表面;
②NH3 由外表面向催化剂孔内扩散;
③NH3 吸附在活性中心上;
④NOx 从气相扩散到吸附态NH3 表面;
⑤NH3 与NOx 反应生成N2 和H2O;
⑥N2 和H2O 通过微孔扩散到催化剂表面;
⑦N2 和H2O 扩散到气相主体。
反应式(1) (2) 主要是在催化剂表面进行的,催化剂的外表面积和微孔特性很大程度上决定了催化剂反应活性,上述1 - 7 个步骤中,速度最慢的为控制步骤。
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