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致 谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 引言
1.1.1 氮氧化物的危害
氮氧化物(NOx)是大气中的主要污染物之一，世界各国尤其是发达国家对NOx排放都有严格的限制[1]。近年来我国的氮氧化物排放量增长迅速，已经成为世界最大的氮氧化物排放国。2005年我国的NOx排放量约为1850万吨，但2010年排放量已升至约2576万吨，引起了国内外的高度关注[2]。
NOx中主要包括 NO、NO2和 N2O等。NO虽然毒性不强，但是在空气中会被O2氧化成NO2，其毒性是NO的5倍。NO2会强烈刺激呼吸系统：吸入后会引起咳嗽、气喘、胸痛、肺气肿等不良症状。另外，NO2还可与大气中的H2O反应生成硝酸，是酸雨的主要来源之一。N2O是一种温室气体，虽然在大气中含量很低，但其单分子增温能力却是CO2的310倍，对全球气候的增温效应极为显著。同时，大气中的氮氧化物与碳氢化合物（CHx）达到一定浓度后，经过一系列光化学反应，会形成光化学烟雾。另外由于氮氧化物的长距离传输效应，会导致区域性的氧化剂和细颗粒的污染，使区域空气质量恶化，对整个生态系统造成严重破坏。另外，硝酸和硝酸盐细颗粒物等二次污染物的形成，会加速区域性酸雨的形成，破坏植被。此外，由大气污染导致的氮沉降量的增加还会导致地下水污染、地表水富营养化等危害。[3, 4]
1.1.2 氮氧化物的来源
NOx的来源可以分为自然源和人为源。在人为源NOx排放中, 燃煤电厂是我国最主要的氮氧化物排放源之一[5]。为此，国家新修订了《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），大幅收紧了氮氧化物的排放限值。
煤燃烧产生的NOx主要有NO与NO2，此外还含有少量的N2O。在煤的燃烧过程中，NOx的产生量和排放量与燃料燃烧的方式（尤其是过量空气系数和燃烧温度等）紧密相关，燃烧产生的NOx可分为燃料型、热力型和快速型三种[6]。
1.2 氮氧化物控制技术
1.2.1 SCR脱硝技术
最有效的燃煤电厂排放氮氧化物（NO和NO2）的污染控制技术是NOx与NH3的选择性催化还原（SCR）技术[7]。美国Engelhard 公司于1957年首先提出NH3法SCR DeNOx工艺，其基本原理是在一定温度与合适催化剂的作用下，以NH3为还原剂，有选择性地把烟气中的NOx还原为N2和H2O。目前选择性催化还原脱硝法反应温度窗口较宽、脱硝效率高、选择性良好、运行安全性好，是主流的烟气脱硝技术。
标准的SCR反应方程如下[8]：
催化剂是SCR 脱硝技术中的核心问题，Pt族贵金属是最早被应用于该反应的催化剂，但该反应易生成易爆炸的硝酸铵，故其运行安全性非常差。此外该类催化剂还具有选择性差（N2O生成量大）、抗毒性差（不耐SO2中毒）和成本较高等缺点。日本在70年代成功开发了成本较低、脱硝效率高、选择性好、抗中毒能力强、运行稳定性好的V2O5基催化剂。80年代时，该技术从日本引进到欧洲，通过消化吸收，该技术在欧洲得到很好的应用。目前选择性催化还原脱硝技术在世界各国应用最为广泛，以运行稳定和脱硝效果良好著称。
1.2.2 V2O5-WO3/TiO2催化剂
目前燃煤电厂应用的商业SCR催化剂以V2O5-WO3/TiO2为主，但其仍存在以下四个方面的不足[9, 10]：
（1）V2O5-WO3/TiO2催化剂的SCR反应温度窗口为300-400℃，导致其必须放置在除尘器之前，但我国多数现有的燃煤电厂并未在除尘器前预留SCR单元的空间；
（2）烟温较高时，V2O5-WO3/TiO2催化剂SCR反应的N2选择性较差，会产生大量具有温室效应的N2O；
（3）V2O5-WO3/TiO2催化剂的活性组分为毒性较大的V2O5，其高温易挥发，会对环境产生危害；