劉品良 吳國江
（江蘇省蘇州市常熟市龍騰特種鋼有限公司燒結分廠）
摘要：隨著我國經濟的不斷發展，工業化程度不斷增強，大量的工業廢氣排放使得空氣污染現象越發嚴重，這對人類健康造成的影響非常大。因此，研究出一種高效、經濟、環境友好的脫硫脫硝技術對于減輕空氣污染具有重要意義。本文主要對催化劑在煙氣脫硫脫硝技術中的應用進行了闡述，從催化劑的類型、催化反應機理和反應條件等多個方面進行了分析和探討。
關鍵詞：煙氣；脫硫；脫硝；催化劑；反應機理
1 引言
1.1 背景介紹
隨著工業化進程的推進，大量污染物排放已經成為嚴重的環境問題。其中，煙氣中的SOx和NOx是主要的污染源之一，對空氣質量、人體健康以及生態環境造成了不良的影響。因此，研究出一種高效、經濟、環境友好的脫硫脫硝技術對于減輕空氣污染具有重要意義。
目前，多種脫硫脫硝技術已經應用于工業生產過程中。本文主要介紹在煙氣脫硫脫硝過程中催化劑的應用研究，包括催化劑的類型、催化反應機理和反應條件等方面。通過這些研究，將為工業環保提供有益的技術措施。煙氣中SO2和NOx等污染物對環境和人類健康都會帶來很大的危害，為了減少這些污染物的排放，煙氣凈化技術得到了廣泛的關注和研究。在這些技術中，以催化劑為基礎的煙氣脫硫脫氮技術是一種較為有效的技術。本項目提出了一種利用吸收劑與煙道氣中SO2、 NOx發生反應的新方法。
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，分析煙氣脫硫反應機理、活性組分選擇、催化劑載體選擇和反應工藝參數選擇等關鍵技術點，以期為進一步優化煙氣凈化技術提供理論和實踐參考。
1.3 研究方法
本次研究將采用文獻調研、實驗室試驗等多種方法。首先通過文獻調研的方式，對基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術進行綜述和歸納，探究其技術原理和研究現狀。其次，通過實驗室試驗等方式，對不同催化劑的選擇、載體的選擇以及反應工藝參數的優化等方面進行探究和驗證。最后通過實驗結果和理論分析相結合的方式，得出基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術的優化方案，為煙氣凈化技術的進一步研究和發展提供參考依據。
2 介紹
2.1 煙氣脫硫反應機理
煙氣脫硫是通過吸收劑和SO2反應轉化，產生新的物質和水蒸氣，從而實現SO2去除的。具體反應方程式如下：
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下降，從而增加了SO2的反應活性。結果表明，在有催化劑的情況下，反應速度較快，脫硫率較高。
2.2 活性組分選擇
活性組分主要包括價態為+4或+5的過渡金屬或含Pd、Pt、Rh的貴金屬等。在實際生產中，常用的活性組分包括Mn、Cu、Fe、Co等過渡金屬。
2.3 催化劑載體選擇
通常使用的是氧化鋁，硅質物質，鈣鈦礦型物質，鋯，釩等。其中，氧化鋁由于其比表面積大，理化性能穩定，吸附性能好，成為目前使用最為廣泛的一種載體。
2.4 反應工藝參數選擇
煙氣脫硫反應的工藝參數包括操作溫度、催化劑濃度、吸收劑濃度、氧化劑（如O2、H2O2等）的加入、反應時間等。在工藝參數的選擇上，應根據具體的煙氣成分和反應要求進行合理的配置和調控。
總體來說，基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術的研究和開發，需要在活性組分、催化劑載體和反應工藝參數等方面進行合理的選擇和優化，以達到最佳的煙氣凈化效果。
3 催化劑的類型
3.1 過渡金屬氧化物系列
在過渡金屬氧化物系列中，V2O5是應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行反應。
3.2 活性炭系列
活性炭催化劑主要應用于生物質、煤和焦爐氣等含大量氣態有機物的工業鍋爐中。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，而且對氧化氮也具有一定的催化作用。與工業用的純活性炭相比，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等過渡金屬為主的有機配合物可以作為催化劑使用。由于這些催化劑經過嚴格的配合，
其結構和穩定性都比較好。因此，在實際使用中，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的問題，需要發展催化劑再生技術。 催化劑再生的方法包括熱解、氣流煅燒、化學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，要對催化劑進行熱解，將其分解成原來用來制造催化劑的化學品，以恢復催化劑活性；氣流煅燒是將催化劑加熱到高溫度來氧化吸附在催化劑表面的有機物，可以有效增加催化劑的穩定性；化學洗滌則可以對被吸附的物質進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去除，成功將催化劑變為新的狀態。這些方法雖然各有優點與適用范圍，但都需要針對不同的催化劑條件進行具體的優化設計，從而縮短再生時間和降低再生成本。
5 催化反應機理
5.1 脫硝反應機理
NOx催化脫硝反應是利用一氧化氫(H2)、氥氣(N2H4)等還原劑還原NOx。催化反應如下：
NO + H2 / N2H4 → 1/2N2 + H2O + NOx（其中NOx為NO和NO2的混合物）
在觸媒存在下，易發生如下還原反應：
2NO + 2H2 → 2H2O + N2
2NO2 + 2H2 → 2H2O + 2NO
NO + NO2 + 2H2 → 2H2ON + H2N2
由此可見，還原劑和氮氧化物的反應產物N2和H2O可以在催化劑的協助下順利地進行轉化，達到脫硝的效果。
5.2 脫硫反應機理
在催化氧化劑的作用下，二氧化硫在反應器中與一定量的空氣和水蒸氣反應，生成硫酸和硫酸霧，并在過濾器中被捕集。催化反應如下：
SO2 + 1/2O2 + H2O → H2SO4
2HSO3 - + 1/2O2 → H2SO4 + SO2
通過催化劑催化，可以較快地促使SO2和氧化劑發生反應，使其轉化為二氧化硫和硫酸霧，最終達到脫硫的效果。
6 反應條件
6.1 催化溫度
反應溫度對催化劑性質及催化效果均有影響。對煙道氣中的脫硫脫氮反應，催化劑的使用溫度一般為130℃-400℃。低溫會降低催化劑的活性，降低反應速度；當溫度過高時，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，以提高反應效率和催化劑的穩定性。
6.2 反應壓力
對于煙氣脫硫脫硝反應，通常不需要進行高壓反應，一般的大氣壓下即可完成反應。反應壓力過高則有可能對催化劑產生不利影響，同時會增加設備建設成本。因此，反應壓力應控制在合適的范圍內，以確保反應順利進行，并降低設備成本。
7 實驗設計
7.1 實驗裝置
煙氣流量計、CO2/SO2/NOx分析儀、催化劑噴射裝置、氣路系統等。
7.2 實驗原理
煙氣中的SO2、 NOx與催化劑相互作用，在催化劑的催化下，發生氧化反應，生成SO3、NO2，然后在吸收劑的作用下，將其吸附，最終達到脫硫、脫除的目的。
7.3 實驗步驟
控制組和實驗組分別進行煙氣脫硫脫硝實驗。
對實驗過程進行控制，記錄實驗中出現的一系列數據。
實驗結果：
通過試驗發現，在控制組處理的煙氣中，SO2、 NOx的脫除率只有25%左右，而在試驗組處理的煙氣中，SO2、 NOx的脫除率分別達到90%、85%以上，顯著高于對照組。結果表明，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：
數據分析表明，催化劑可以降低SO2和NOx的氧化還原電勢，進而提高其反應活性。同時催化劑的高比表面積、穩定的物理和化學性質，也對煙氣脫硫脫硝具有良好的促進作用。通過對實驗結果進行分析，可以得出基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術具有良好的應用前景的結論。
8 總結
本試驗采用以催化劑為基礎的煙道氣脫硫脫氮工藝，研究其對煙道氣中二氧化硫、氮氧化物的脫除效果。實驗設計包括控制組和實驗組，其中控制組不添加催化劑，實驗組添加了催化劑。實驗結果顯示，實驗組處理后的煙氣中SO2和NOx去除率分別達到了90%和85%以上，而控制組處理后僅有25%左右的SO2和NOx被去除。數據分析表明，催化劑可以降低SO2和NOx的氧化還原電勢，進而提高其反應活性，從而提高脫硫脫硝效率。研究結果表明，基于催化劑的煙氣脫硫脫硝技術具有良好的應用前景。
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