三態(tài)微孔催化劑在水泥行業(yè)的應(yīng)用

1、NOx及SCR法原理

工業(yè)裝置排放的氮氧化物（NOx）是一個(gè)主要的全球污染問(wèn)題，對(duì)人類(lèi)健康和環(huán)境的危害很大。NOx主要以NO和NO₂的形式存在，其來(lái)源主要是燃燒過(guò)程，在燃料燃燒期間，燃?xì)庵械牡匾约爸伎諝庵械牡獨(dú)獗桓邷匮趸癁?/span>NOx，即燃料型NOx和熱力型NOx。排放到大氣中的NOx可以與水結(jié)合，是形成霧霾和酸雨的重要組成部分。此外，NOx與揮發(fā)性有機(jī)化合物和陽(yáng)光結(jié)合可形成近地面臭氧。

現(xiàn)有的脫除煙氣中NOx的工藝SCR法系統(tǒng)最為簡(jiǎn)單，運(yùn)行最為穩(wěn)定，NOx脫除效率也最高，適用于水泥窯達(dá)標(biāo)排放以及將來(lái)超低排放的應(yīng)用。

SCR（Selective Catalytic Reduction，選擇性催化還原法）法是當(dāng)今最主流的脫硝工藝，其基本原理是氨氣與氮氧化物經(jīng)過(guò)催化劑活性表面發(fā)生還原反應(yīng)生成無(wú)害的氮?dú)夂退?，不再形成?duì)大氣的二次污染。

4NO + 4NH₃+ O₂→ 4N₂+ 6H₂O

2NO₂+ 4NH₃+ O₂→ 3N₂+ 6H₂O             (NO₂/NOx>0.50)

NO + NO₂+ 2NH₃→2N₂+ 3H₂O       (NO₂/NOx≤0.50)

SCR系統(tǒng)需要用氨作為還原劑，一般由噴射裝置噴入到反應(yīng)器中。

2、二噁英及脫除原理

二噁英是多氯代二苯并二噁英（PCDD）與多氯代二苯并呋喃（PCDF）的總稱，它們分別有75種和135種異構(gòu)體。其中2,3,7,8-四氯代二苯并二噁英（2,3,7,8-TCDD）對(duì)人體的危害最大。

PCDD與PCDF的分子式如下：

二噁英可以在SCR脫硝催化劑表面上被催化分解，其分解率最高可達(dá)99.9%。反應(yīng)式如下：

PCDD/PCDF/2,3,7,8-TCDD+ O₂ ?  CO₂+H₂O+HCl

NOx與NH₃、O₂的反應(yīng)，二噁英的氧化分解反應(yīng)是典型的氣、固相催化反應(yīng)，均發(fā)生在催化劑的表面（包括微孔的內(nèi)表面），且反應(yīng)在極短的時(shí)間內(nèi)即~10-3s即可完成。脫硝及脫二噁英反應(yīng)對(duì)煙氣的壓力并不敏感，其反應(yīng)基于優(yōu)美科公司現(xiàn)有業(yè)績(jī)，在煙氣壓力≤0.5Mpa g條件下均可進(jìn)行。

NOx及二噁英在SCR脫硝催化劑上的脫除取決于以下因素：

?  催化劑比表面積，表面面積越大，越有利于NOx及二噁英的脫除

?  二噁英由氣體向催化劑表面的傳質(zhì)

?  二噁英在催化劑微孔中的傳質(zhì)

?  催化劑的活性

3、優(yōu)美科三態(tài)微孔催化劑 

    2017年，優(yōu)美科收購(gòu)了托普索公司的脫硝業(yè)務(wù)，組建了優(yōu)美科固定源排放控制催化劑事業(yè)部， 專業(yè)從事脫除NOx，二噁英、CO和VOC等污染物的催化工藝和催化劑業(yè)務(wù)。其中，SCR脫硝工藝和催化劑由丹麥托普索公司開(kāi)發(fā)，截止2019年6月，全球共1949個(gè)業(yè)績(jī)，是電力行業(yè)(鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī))、垃圾發(fā)電、煉油、石化、化工、炭黑、鋼鐵、水泥、玻璃窯爐等領(lǐng)域SCR催化劑解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商。優(yōu)美科三態(tài)微孔催化劑在NOx及二噁英的脫除上具有很高的效率，在150°C至540°C的溫度下，可實(shí)現(xiàn)95％以上的脫硝效率和很低的氨逃逸率，有很明顯優(yōu)勢(shì)，在同等煙氣條件和性能要求下，所需的催化劑體積比其他廠家更少。

           下圖是優(yōu)美科公司DNX SCR催化劑的三態(tài)微孔結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出其具有大微孔、中微孔、小微孔等豐富的微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)煙氣流經(jīng)三態(tài)微孔催化劑表面時(shí)，煙氣及所攜帶的反應(yīng)物NOx、NH3、O2等迅速進(jìn)入大微孔、中微孔、小微孔中，一方面，大微孔和中微孔的存在，大大提升了SCR的傳質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程，從而提高了SCR的反應(yīng)速率，另一方面，催化劑內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)也得到了有效的利用。催化劑的失效機(jī)理是砷、鉻等毒性物質(zhì)引起的微孔堵塞。當(dāng)微孔堵塞時(shí)，三態(tài)微孔催化劑尚有催化劑內(nèi)部的大微孔、中微孔可以使用。三態(tài)微孔催化劑的失活速率更慢，使用壽命更長(zhǎng)。

4、優(yōu)美科三態(tài)微孔催化劑在水泥行業(yè)的應(yīng)用

 優(yōu)美科脫硝催化劑獨(dú)有的三態(tài)微孔結(jié)構(gòu)有效提高催化劑在低溫下的活性，同時(shí)，有效的減緩堿金屬和重金屬對(duì)催化劑的毒化，可實(shí)現(xiàn)在水泥窯尾端穩(wěn)定、高效脫硝，滿足水泥行業(yè)的氮氧化物超低排放。

        位于德國(guó)巴伐利亞的Rohrdorfer Zement水泥廠，采用了優(yōu)美科公司的脫硝催化劑，SCR系統(tǒng)于2011年4月份投運(yùn)，脫硝效率>87.5%，二噁英去除率>87.5%，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

    優(yōu)美科公司是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)始水泥行業(yè)SCR脫硝的廠商，其中天津1座水泥窯和鄭州4座水泥窯SCR于2018年相繼投運(yùn); 天津窯采用高溫電除塵+高溫SCR工藝，鄭州4座窯采用窯尾布袋收塵+低溫、低塵SCR工藝，其中兩座窯運(yùn)行溫度為180°C，另兩座窯行溫度為200°C，均運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)超低排放。

      2018年11月，在新安中聯(lián)萬(wàn)基水泥公司進(jìn)行低溫催化劑中試，反應(yīng)器進(jìn)口溫度穩(wěn)定在130-150℃之間。出口氮氧化物濃度為0 mg/Nm³.

       在窯尾大布袋之后加裝低溫SCR脫硝，既不影響現(xiàn)有水泥系統(tǒng)，又避免水泥煙氣中的煙塵對(duì)催化劑的堵塞、磨損和毒害，既提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，又延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超低排放。

    隨著水泥工業(yè)氮氧化物排放越來(lái)越嚴(yán)格，為滿足環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，低溫脫硝將成為水泥窯爐脫硝的主要工藝。三態(tài)微孔低溫催化劑能使NOx在較低溫度下還原，與高溫SCR技術(shù)相比，系統(tǒng)布置空間小、能耗低、壽命長(zhǎng)且運(yùn)行成本低，工業(yè)化應(yīng)用前景廣闊。