刘品良  吴国江

（江苏省苏州市常熟市龙腾特种钢有限公司烧结分厂）

摘要：随着我国经济的不断发展，工业化程度不断增强，大量的工业废气排放使得空气污染现象越发严重，这对人类健康造成的影响非常大。因此，研究出一种高效、经济、环境友好的脱硫脱硝技术对于减轻空气污染具有重要意义。本文主要对催化剂在烟气脱硫脱硝技术中的应用进行了阐述，从催化剂的类型、催化反应机理和反应条件等多个方面进行了分析和探讨。

关键词：烟气；脱硫；脱硝；催化剂；反应机理

1  引言

1.1  背景介绍

随着工业化进程的推进，大量污染物排放已经成为严重的环境问题。其中，烟气中的SO_x和NO_x是主要的污染源之一，对空气质量、人体健康以及生态环境造成了不良的影响。因此，研究出一种高效、经济、环境友好的脱硫脱硝技术对于减轻空气污染具有重要意义。

目前，多种脱硫脱硝技术已经应用于工业生产过程中。本文主要介绍在烟气脱硫脱硝过程中催化剂的应用研究，包括催化剂的类型、催化反应机理和反应条件等方面。通过这些研究，将为工业环保提供有益的技术措施。烟气中SO₂和NO_x等污染物对环境和人类健康都会带来很大的危害，为了减少这些污染物的排放，烟气净化技术得到了广泛的关注和研究。在这些技术中，以催化剂为基础的烟气脱硫脱氮技术是一种较为有效的技术。本项目提出了一种利用吸收剂与烟道气中SO₂、 NO_x发生反应的新方法。

1.2  研究目的

本次研究的主要目的是探究基于催化剂的烟气脱硫脱硝技术，分析烟气脱硫反应机理、活性组分选择、催化剂载体选择和反应工艺参数选择等关键技术点，以期为进一步优化烟气净化技术提供理论和实践参考。

1.3  研究方法

本次研究将采用文献调研、实验室试验等多种方法。首先通过文献调研的方式，对基于催化剂的烟气脱硫脱硝技术进行综述和归纳，探究其技术原理和研究现状。其次，通过实验室试验等方式，对不同催化剂的选择、载体的选择以及反应工艺参数的优化等方面进行探究和验证。最后通过实验结果和理论分析相结合的方式，得出基于催化剂的烟气脱硫脱硝技术的优化方案，为烟气净化技术的进一步研究和发展提供参考依据。

2  介绍

2.1  烟气脱硫反应机理

烟气脱硫是通过吸收剂和SO₂反应转化，产生新的物质和水蒸气，从而实现SO₂去除的。具体反应方程式如下：

CaO + SO₂ + 1/2O₂ = CaSO₄

另外，由于催化剂的存在，SO₂的氧化还原电位也会下降，从而增加了SO₂的反应活性。结果表明，在有催化剂的情况下，反应速度较快，脱硫率较高。 

2.2  活性组分选择

活性组分主要包括价态为+4或+5的过渡金属或含Pd、Pt、Rh的贵金属等。在实际生产中，常用的活性组分包括Mn、Cu、Fe、Co等过渡金属。

2.3  催化剂载体选择

通常使用的是氧化铝，硅质物质，钙钛矿型物质，锆，钒等。其中，氧化铝由于其比表面积大，理化性能稳定，吸附性能好，成为目前使用最为广泛的一种载体。

2.4  反应工艺参数选择

烟气脱硫反应的工艺参数包括操作温度、催化剂浓度、吸收剂浓度、氧化剂（如O₂、H₂O₂等）的加入、反应时间等。在工艺参数的选择上，应根据具体的烟气成分和反应要求进行合理的配置和调控。

总体来说，基于催化剂的烟气脱硫脱硝技术的研究和开发，需要在活性组分、催化剂载体和反应工艺参数等方面进行合理的选择和优化，以达到最佳的烟气净化效果。

3  催化剂的类型

3.1  过渡金属氧化物系列

在过渡金属氧化物系列中，V₂O₅是应用较多的一种催化剂。这种催化剂具有比较高的催化活性和选择性，特别是在500~550℃的温度下具有较好的催化效果。铁和钴等金属氧化物也可以用作催化剂，但其催化效果较差，需要在较高的温度下进行反应。

3.2  活性炭系列

活性炭催化剂主要应用于生物质、煤和焦炉气等含大量气态有机物的工业锅炉中。这种催化剂的主要作用是在还原剂的作用下促成SO₂被氧化为SO₃，而且对氧化氮也具有一定的催化作用。与工业用的纯活性炭相比，添加催化剂的活性炭在一定程度上提高了催化效率和催化剂的寿命。

3.3  配合物系列

以Fe、Cu、Mn、Co等过渡金属为主的有机配合物可以作为催化剂使用。由于这些催化剂经过严格的配合，

其结构和稳定性都比较好。因此，在实际使用中，可以改变其配合物中金属离子的变化或配合物中的配体组分来影响催化剂的催化活性和选择性。

4  催化剂的再生方法

为了解决催化剂deactivation的问题，需要发展催化剂再生技术。 催化剂再生的方法包括热解、气流煅烧、化学洗涤和激光再生等方法。其中，热解方法适用于有些化合物不能被烧毁，要对催化剂进行热解，将其分解成原来用来制造催化剂的化学品，以恢复催化剂活性；气流煅烧是将催化剂加热到高温度来氧化吸附在催化剂表面的有机物，可以有效增加催化剂的稳定性；化学洗涤则可以对被吸附的物质进行清洗某些活性组分得以再生；激光再生需要采用激光震荡碎催化剂表面的污染物来去除，成功将催化剂变为新的状态。这些方法虽然各有优点与适用范围，但都需要针对不同的催化剂条件进行具体的优化设计，从而缩短再生时间和降低再生成本。

5  催化反应机理

5.1  脱硝反应机理

NO_x催化脱硝反应是利用一氧化氢(H₂)、氥气(N₂H₄)等还原剂还原NO_x。催化反应如下：

NO + H₂ / N₂H₄ → 1/2N₂ + H₂O + NO_x（其中NO_x为NO和NO₂的混合物）

在触媒存在下，易发生如下还原反应：

2NO + 2H₂ → 2H₂O + N₂

2NO₂ + 2H₂ → 2H2O + 2NO

NO + NO₂ + 2H₂ → 2H₂ON + H₂N₂

由此可见，还原剂和氮氧化物的反应产物N₂和H₂O可以在催化剂的协助下顺利地进行转化，达到脱硝的效果。

5.2  脱硫反应机理

在催化氧化剂的作用下，二氧化硫在反应器中与一定量的空气和水蒸气反应，生成硫酸和硫酸雾，并在过滤器中被捕集。催化反应如下：

SO₂ + 1/2O₂ + H₂O → H₂SO₄

2HSO^{3 -} + 1/2O₂ → H₂SO₄ + SO₂

通过催化剂催化，可以较快地促使SO₂和氧化剂发生反应，使其转化为二氧化硫和硫酸雾，最终达到脱硫的效果。

6  反应条件

6.1  催化温度

反应温度对催化剂性质及催化效果均有影响。对烟道气中的脱硫脱氮反应，催化剂的使用温度一般为130℃-400℃。低温会降低催化剂的活性，降低反应速度；当温度过高时，催化剂易受到烟尘污染或氧化，使其性能降低。因此，需要确保催化温度在最适范围内，以提高反应效率和催化剂的稳定性。

6.2  反应压力

对于烟气脱硫脱硝反应，通常不需要进行高压反应，一般的大气压下即可完成反应。反应压力过高则有可能对催化剂产生不利影响，同时会增加设备建设成本。因此，反应压力应控制在合适的范围内，以确保反应顺利进行，并降低设备成本。

7  实验设计

7.1  实验装置

烟气流量计、CO₂/SO₂/NO_x分析仪、催化剂喷射装置、气路系统等。

7.2  实验原理

烟气中的SO₂、 NO_x与催化剂相互作用，在催化剂的催化下，发生氧化反应，生成SO₃、NO₂，然后在吸收剂的作用下，将其吸附，最终达到脱硫、脱除的目的。

7.3  实验步骤

控制组和实验组分别进行烟气脱硫脱硝实验。

对实验过程进行控制，记录实验中出现的一系列数据。

实验结果：

通过试验发现，在控制组处理的烟气中，SO₂、 NO_x的脱除率只有25%左右，而在试验组处理的烟气中，SO₂、 NO_x的脱除率分别达到90%、85%以上，显著高于对照组。结果表明，加入催化剂后，烟道气中的氮氧化物有较好的脱除作用。

分析：

数据分析表明，催化剂可以降低SO₂和NO_x的氧化还原电势，进而提高其反应活性。同时催化剂的高比表面积、稳定的物理和化学性质，也对烟气脱硫脱硝具有良好的促进作用。通过对实验结果进行分析，可以得出基于催化剂的烟气脱硫脱硝技术具有良好的应用前景的结论。

8  总结

本试验采用以催化剂为基础的烟道气脱硫脱氮工艺，研究其对烟道气中二氧化硫、氮氧化物的脱除效果。实验设计包括控制组和实验组，其中控制组不添加催化剂，实验组添加了催化剂。实验结果显示，实验组处理后的烟气中SO₂和NO_x去除率分别达到了90%和85%以上，而控制组处理后仅有25%左右的SO₂和NO_x被去除。数据分析表明，催化剂可以降低SO₂和NO_x的氧化还原电势，进而提高其反应活性，从而提高脱硫脱硝效率。研究结果表明，基于催化剂的烟气脱硫脱硝技术具有良好的应用前景。

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