GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KĨ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU

BÀI TIỂU LUẬN
ĐỘNG HỌC XÚC TÁC
XÚC TÁC XỬ LÝ KHÍ NOx – XÚC TÁC TRONG CÔNG NGHỆ SCR
GVHD: Th.S VƯƠNG THANH HUYỀN

NHÓM 1

1


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................................5
1.

Giới thiệu chung về NOx .........................................................................................................6

2.

Nguồn gốc phát sinh NOx và ảnh hưởng. ..............................................................................8

2.1.

Nguồn gốc ..........................................................................................................................8

2.1.1. Nguồn gốc tự nhiên..........................................................................................................8
2.1.2 Nguồn gốc sinh học ..........................................................................................................8
2.1.3 Các nguồn công nghiệp ....................................................................................................8
2.1.3.1 NOx nhiệt (thermal-NOx) ..........................................................................................8
2.1.3.2 NOx nhiên liệu(fuel-NOx) .........................................................................................9
2.1.3.3 NOx sớm(prompt- NOx) ..........................................................................................10
2.2 Ảnh hưởng của NOx ..........................................................................................................10
2.2.1. Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người...............................................................10
2.2.2 Ảnh hưởng của NOx đến thực vật ..................................................................................11
3. Tổng quan các phương pháp xử lý NOx .................................................................................12
3.1. Phương pháp hấp phụ........................................................................................................12
3.2. Phương pháp hấp thụ ........................................................................................................13
3.2.1 Hấp thụ bằng nước ..........................................................................................................13
3.2.2 Hấp thụ bằng kiềm ..........................................................................................................13
3.2.3 Hấp thụ chọn lọc ............................................................................................................14
3.2.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO2 và NOx.................................................................15
3.3. Xử lý NOX bằng phương pháp xúc tác và nhiệt ..............................................................15
3.3.1. Khử oxit nitơ có xúc tác và nhiệt độ cao .......................................................................16
3.3.2. Khử NOx với xúc tác chọn lọc .......................................................................................17
3.3.3. Phân hủy NOx bằng chất khử dị thể ...............................................................................18
3.3.4. Phân hủy NOx bằng chất khử đồng thể và dị thể không có xúc tác:..............................18
4. Công nghệ SCR: ........................................................................................................................21
4.1 Khái niệm. ............................................................................................................................21

NHÓM 1


2


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

4.2 Nhiệt động học của quá trình SCR khử NO bằng NH3 ...................................................23
4.2.1 Nhiệt động của quá trình.................................................................................................23
4.2.2 Xúc tác cho quá trình (V2O5/TiO2) ................................................................................24
4.2.2.1 Pha hoạt tính – V2O5 ..............................................................................................25
4.2.2.2 Cấu trúc của hệ xúc tác V2O5/TiO2 (dạng anatas): ................................................28
4.2.2.3 Các phương pháp điều chế hệ xúc tác V2O5/TiO2....................................................31
4.2.3 Cơ chế và các phương trình phản ứng ............................................................................33
4.2.3.1. Các phản ứng. ..........................................................................................................33
4.2.3.2 Cơ chế của quá trình: ...............................................................................................34
4.2.4 Động học của quá trình ...................................................................................................42
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xúc tác. ........................................................................46
5.1 Mở đầu. ................................................................................................................................46
5.2 Thử hoạt tính xúc tác. .........................................................................................................47
5.3 Các yếu tố ảnh hưởng. ........................................................................................................47
5.3.1 Hoạt tính xúc tác với các chất trợ khác nhau. .................................................................47
5.3.2 Tác động của phụ gia F và chất tải W trong sự chuyển hóa NO: ...................................48
5.3.3 Thử nghiệm qua tác động của NH3 đến độ chuyển hóa NO: ..........................................50
5.3.4 Tác động của O2 đến sự chuyển hóa NO: .......................................................................51
5.3.5 Xúc tác VWTiF bền với SO2, H2O: ................................................................................52
6. Phạm vi ứng dụng .....................................................................................................................54
7. Xu hướng nghiên cứu hiện nay ................................................................................................55
7.1 Xu hướng phát triển về hệ xúc tác. ....................................................................................55
7.2 Xu hướng phát triển về công nghệ xử lý ...........................................................................58

7.2.1 Xử lý khí thải bằng công nghệ biofilter với giá thể vỏ dừa ............................................58
7.2.2 Dùng thiết bị lọc hơi khí độc NOx

.......................................................................60

7.2.3 Công nghệ lò đốt (FLGR) ...............................................................................................63
7.2.4 Công nghệ xử lý khói thải – GTEC ................................................................................64
8. Kết luận......................................................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................66

NHÓM 1

3


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

NHÓM 1

Xúc tác xử lý khí NOx

4


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, ô nhiễm đang ngày một trở thành nỗi nhức nhối của con người. Ô nhiễm

nguồn nước, ô nhiễm không khí… chính những hoạt động của con người là nguyên nhân
chính gây ra nhiều sự ô nhiễm ấy. Không thể phủ nhận rằng sự phát triển của ngành công
nghiệp đã mang đến cuộc cách mạng phát triển, cạnh tranh cho nhiều quốc gia, và góp phần
cải thiện cuộc sống con người. Giải quyết, đáp ứng mọi nhu cầu thiết yếu của mỗi người.
Nhưng chính sự phát triển đó lại đưa đến một nỗi lo lớn khác về ô nhiễm.
Về khía cạnh ô nhiễm bầu không khí, nhiều nhà máy và các hoạt động đốt cháy khác
đã và đang thải ra bầu không khí nhiều loại chất gây hại, ví dụ như: SOx, COx, NOx,… chúng
có thể gây ra tác hại khôn lường nếu như không được kiểm soát một cách chặt chẽ.
Trong bài ngày hôm nay, nhóm em xin đề cập đến vấn đề xử lý khí NOx từ các nhà
máy công nghiệp. Có nhiều các nghiên cứu được đề ra để thực hiện việc giảm khí NO x,
nhưng mỗi phương pháp lại tồn tại những ưu- nhược điểm riêng của nó, một số hóa chất được
sử dụng như là chất hấp phụ, oxi hóa để loại bỏ hoặc tiêu hủy NOx trong các tháp phun.
Nhưng những loại hóa chất này có giá thành cao và khá tốn kém.
Để bàn luận về vấn đề này, nhóm xin giới thiệu công nghệ và cơ chế cho quá trình
SCR sử dụng xúc tác oxi hóa chọn lọc với nhiều ưu điểm, cho hiệu suất xử lý cao và dòng khí
đi ra sạch hơn

NHÓM 1

5


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

1. Giới thiệu chung về NOx
NOx là tên gọi chung của oxyde nitơ gồm các chất NO, NO2 và N2O,N2O3,N2O4,N2O5.
Các phương tiện giao thông,các nhà máy nhiệt điện và các ngành công nghiệp khác
cùng với các hoạt động sinh hoạt của cộng đồng dân cư là các nguồn chủ yếu thải ra NOx.


Tỷ lệ các nguồn thải NOx
nhiệt điện 22%

Các ngành công nghiệp khác-hoạt
động sinh hoạt của con người
22%
Xe cộ 55%

Các nguồn khác 1%

1.1 Nitơ IV Oxit – NO2
- Nitơ IV Oxit là hợp chất dạng khí của Nitơ (Nitơ có hóa trị IV) tồn tại trong tự
nhiên từ các hoạt động công nghiệp như đốt than, nhiên liệu, sự thối rữa động vật và là một
trong những loại khí gây hiệu ứng nhà kính.
- Nitơ IV Oxit có màu nâu nặng hơn không khí, mùi khó chịu và độc và cấu tạo phân
tử như sau:

- Sở dĩ Nitơ IV Oxit là một khí hiệu ứng nhà kính là do nó cùng với CO2, SO2,... có
khả năng hấp thụ các tia sáng phản xạ từ Mặt trời xuống Trái Đât có bước sóng dài. Khi
lượng Nitơ IV Oxit và các khí nhà kính khác cân bằng so với khí quyển thì các tia sáng này
NHÓM 1

6


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx


sẽ giúp “sưởi ấm” Trái Đất. Nhưng ngày nay, khi mà các hoạt động công nghiệp diễn ra rất
mạnh mẽ, đặc biệt là các nước đang phát triển và Mỹ làm cho lượng khí nhà kính tăng lên
đáng kể – trong đó có Nitơ IV Oxit. Làm mất đi sự cân bằng trong khí quyển, lượng khí
hấp thụ các tia phản xạ tăng lên, hiệu ứng nhà kính càng tỏ ra rõ nét, nhiệt độ của Trái Đất
tăng lên
1.2 Nitrô Oxit – N2O
- Nitrô Oxit (còn được gọi protoxyt nitrogen, hoặc khí cười – do hít phải sẽ gây phản
xạ cười) có công thức cấu tạo như sau:

- Nitrô Oxit trước đây chủ yếu được biết đến trong y học khi nó đóng vai trò là
một chất kích thích và có thành phần hỗn hợp khí gây mê.Nhưng ngày nay, các nhà
khoa học đã chứng minh được rằng N2O cũng là một trong khí hiệu ứng nhà kính.
Hàm lượng của nó đang tăng dần trên phạm vi toàn cầu, hàng năm khoảng từ 0,20,3%.
- Cùng với việc tăng lên lượng lớn NO2trong không khí thì lượng N2O càng
làm tăng cường hiệu ứng nhà kính. Khi khí đinitơ oxit (N2O) lên đến tầng bình lưu và
phá huỷ tầng ozone, dẫn đến sự gia tăng lượng bức xạ cực tím, gây ung thư da và đục
thuỷ tinh thể. Dù nồng độ Nitrô Oxit trong không khí ít hơn đáng kể so với nồng độ
CO2, nhưng mối nguy hại tiềm tàng do chúng gây ra làm ảnh hưởng xấu đến sức khỏe
và môi trường lại nhiều gấp 300 lần.
1.3. Nitơ monoxit (công thức hóa học: NO)
Là chất khí không màu, không bền trong không khí vì bị ôxy ôxi hóa ở nhiệt độ
thường tạo ra nitơ dioxit là chất khí màu nâu đỏ

NHÓM 1

7


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN


Xúc tác xử lý khí NOx

2. Nguồn gốc phát sinh NOx và ảnh hưởng.
2.1.

Nguồn gốc

2.1.1.Nguồn gốc tự nhiên
Oxit nitric được tạo ra trong cơn giông khi có sét
N2 + O2 → 2NO (tia lửa điện)
2NO + O2 → 2NO2
Nitơ đioxit phản ứng với nước mưa tạo ra axit HNO3 và nitơ oxit
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
2.1.2Nguồn gốc sinh học
Phân bón nông nghiệp và việc cố định đạm của vi sinh vật cũng góp phần làm
gia tăng lượng NOx vào không khí
2.1.3Các nguồn công nghiệp
NOx được tạo chủ yếu theo 3 dạng chính sau:
_NOx nhiệt(thermal-NOx)
_NOx nhiên liệu(fuel-NOx)
_ NOx sớm(prompt- NOx)
Ngoài ra còn loại thứ 4 là NOx nạp liệu(feed NOx).loại NOx này được hình
thành do quá trình đốt cháy của nitơ hiện diện trong vật liệu đầu vào của quá trình sản
xuất xi măng theo công nghệ lò quay ở vùng nhiệt độ 300-800᷾ C.Tuy nhiên dạng này
chiếm tỉ lệ rất nhỏ.
2.1.3.1 NOx nhiệt(thermal-NOx)
Được hình thành do sự đốt cháy của hỗn hợp oxi và nitơ ở khoảng 1600oC.Cơ
chế hình thành NOx nhiệt với các phản ứng xảy ra như sau:
.
N2 +O → NO + N


NHÓM 1

(1)

8


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN
.
.
NO + N → N2 + O
.

.

Xúc tác xử lý khí NOx
(2)

NO + O → N +O2

(3)

.
.
N + O2→ NO + O

(4)

.


N + OH→ NO+H

.

(5)

.
.
NO+H → N +OH(6)
Phản ứng (1) đóng vai trò là phản ứng chậm của cơ chế này hơn nữa phản ứng
này có năng lượng hoạt hóa khá cao vì thế nó chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao.Chính vì vậy để
giảm sự tạo thành của NOx nhiệt thì người ta phải giảm nhiệt độ của ngọn lửa ,thời
gian lưu giữ,giảm nồng độ oxi trong vùng nhiệt độ cao.
2.1.3.2 NOx nhiên liệu(fuel-NOx)
Theo Finimore và Jones(1961) thì NOx nhiên liệu(fuel-NOx) được tạo thành
chủ yếu từ sự đốt cháy của nito tồn tại trong nhiên liệu,ví dụ như các chất chứa nhóm
chức amin hay pyridyn.Liên kết C-N có năng lượng liên kết nhỏ hơn so với lien kết 3
trong phân tử N2 vì thế sự tạo thành NOx từ cách này xảy ra dễ dàng hơn và ở nhiệt độ
thấp hơn so với cơ chế tạo thành NOx-nhiệt.Các phản ứng xảy ra nhanh theo hướng
tạo thành axit cyanic,HCN,rồi HCN phản ứng với nguyên tử oxitheo các phản ứng sau

.
.
.
HCN + O → H + NCO
.
.
.
HCN + O →OH + CN

.
.
HCN + O →NH +CO
.
.
Gốc CN tạo ra NCO bằng phản ứng
.
.
.
CN +O2→NCO +O
.
.
. .
CN +OH →NCO +H

Trong môi trường oxi hóa NCO tạo ra NO và CO

NHÓM 1

9


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

.
.
.
NCO +OH →NO+CO+H

. .
NCO +O →NO+CO

Khi đốt dầu nhiên liệu thì lượng NOx-nhiên liệu được tạo ra chiếm hơn 50%
tổng lượng NOx thải ra,tỉ lệ này là 80% khi đốt cháy than đá
2.1.3.3 NOx sớm(prompt- NOx)
NOx-sớm được tạo thành do phản ứng giữa nito không khí với các gốc
hydrocacbon,CHi (i=0-2) được sinh ra từ nhiên liệu trong môi trường ít oxi
N2+CH*→HCN +N*
Trong môi trường oxi hóa HCN tiếp tục phản ứng như trong cơ chế tạo thành
NOx nhiên liệu
Cơ chế của quá trình tạo thành NOx sớm cũng xảy ra ở nhiệt độ thấp vì thế để
hạn chế sự tạo thành NOx sớm người ta sẽ tăng tốc độ nạp của hỗn hợp nhiên liệu –
không khí
Nói chung lượng NOx tạo thành bởi cơ chế này ít hơn so với NOx nhiệt.
Ngoài ra thì NO còn được tạo thành từ phản ứng :
NNH+O→ NO+NH
Và

N2 + O→ N2O
N2 O + O

→ 2NO

2.2 Ảnh hưởng của NOx
2.2.1. Ảnh hưởng của NOx đến sức khỏe con người
NOx có thể đi sâu vào phổi con người do ít hòa tan trong nước. Khi vào được
trongphổi, 80% lượng NOx bị giữ lại (đối với SO2, cơ quan này chỉ giữ lại khoảng 5%).
Trongcác chất của NOx, độc tính của NO2 cao hơn rất nhiều lần so với NO. Các hạt nhỏ có
thể xâm nhập sâu vào mô phổi nhạy cảm và làm hỏng nó, gây ra cái chết sớm trong trường

hợp nặng. Hít phải các hạt này có thể gây ra hoặc làm trầm trọng thêm các bệnh hô hấp,
chẳng hạn như khí phế thũng hoặc viêm phế quản , hoặc cũng có thể làm trầm trọng thêm
bệnh tim.

NHÓM 1

10


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

2.2.2 Ảnh hưởng của NOx đến thực vật
NOx chỉ ảnh hưởng đến thực vật khi nồng độ của nó đủ lớn.
Khi nồng độ NOx lớn hơn 0,5÷ 0,7ppm chúng sẽ làm giảm sự quang hợp. Sự giảm
quang hợp đạt đến trạng thái cân bằng đối với NO nhanh hơn đối với NO2 và sau khi môi
trường hết ô nhiễm, sự quay trở lại trạng thái ban đầu đối với NO nhanh hơn đối với NO2.
Trong những vùng đô thị hóa cao (nồng độ NOx đạt khoảng 3,93ppm), sự quang hợp có thể
bị giảm đi 25%
_Ngoài ra NOx còn là nguyên nhân gây mưa axit,hiện tượng sương khói,làm suy giảm chất
lượng
nguồn
nước…

Sơ đồ tóm tắt tác hại của NOx đối với môi trường và con người

NHÓM 1

11



GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

3. Tổng quan các phương pháp xử lý NOx
3.1. Phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là quá trình phân ly khí dựa trên các ái lực của một số chất rắn đối với một số
loại khí có mặt trong hỗn hợp khí nói chung và trong khí thải nói riêng, trong quá trình đó,
các phân tử khí thải bị giữ lại trên bề mặt của vật liệu rắn. Vật liệu rắn được sử dụng trong
quá trình này được được gọi là chất hấp phụ, còn chất khí bị giữ lại trong quá trình này gọi là
chất bị hấp thụ.
Có hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học:
- Hấp phụ vật lý: là hấp phụ đa phân tử (hấp phụ nhiều lớp), lực liên kết là lực hút giữa
các phân tử (lực Vander – Waals) không tạo thành hợp chất bề mặt.
- Hấp phụ hóa học: là hấp phụ đơn phân tử (hấp phụ một lớp), lực liên kết là liên kết hóa
học, tạo nên hợp chất bề mặt.
Vật liệu làm chất hấp phụ: là vật liệu xốp với bề mặt bên trong lớn, được tạo thành do
tổng hợp nhân tạo hay tự nhiên.
Vật liệu hấp phụ cần đáp ứng các yêu cầu sau:
- có khả năng hấp phụ cao;
- Phạm vi tác dụng rộng;
- Có độ bền cơ học cần thiết;
- Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng;
- Giá thành rẻ.
Chất hấp phụ: thông thường là các chất như than hoạt tính, silicagel, nhôm hoạt tính,
zeolit …
- Than hoạt tính: được đặc trưng bởi tính kỵ nước, vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi để
xử lý các dạng ẩm khác nhau. Nhược điểm cơ bản của than hoạt tính là kém bền cơ học và dễ

cháy.
- Silicagel: là oxit silic vô định hình ngậm nước (SiO2.nH2O), silicagel không cháy, có
nhiệt độ tái sinh thấp (110 – 200oC) và đủ độ bền cơ học. Tuy nhiên, nó bị phá hủy bởi các
giọt ẩm.
- Nhôm hoạt tính (oxit nhôm được hoạt hóaAl2O3.nH2O, 0cách nung các hydrocid nhôm khác nhau, nhôm hoạt tính bền dưới tác dụng của các giọt ẩm,
chúng được ứng dụng để thu hồi các hợp chất hữu cơ phân cực và sấy khí.
- Zeolit là các nhóm silic, chứa các oxit kim loại kiềm và kiềm thổ. Công thức hóa học
tổng quát của Zeolic là Me2/nO.Al2O3.xSiO2.7H2O (ở đây, Me là cation kim loại kiềm, n – hóa
NHÓM 1

12


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

trị của nó). Zeolit có khả năng hấp phụ lớn hơi nước và giữ được hoạt tính cao ở nhiệt độ
tương đối lớn (150 – 250oC) đây là ưu điểm nổi bật của Zeolit.
Hiệu quả hấp phụ:
NOx được hấp phụ mạnh bởi than hoạt tính.Tuy nhiên khi tiếp xúc với các oxit nitơ than
có thể cháy và nổ.Ngoài ra, than có độ bền cơ học thấp và khi phục hồi có thể chuyển NOx
thành NO.
Khả năng hấp phụ NOx của silicagel thấp hơn than hoạt tính nhưng nó bền cơ học,
không cháy, cũng giống như than hoạt tính khi tái sinh có thể chuyển NOx thành NO.
Nhôm hoạt tính hấp phụ NOx với hiệu suất không cao và độ bền cơ học kém.
3.2. Phương pháp hấp thụ
Hấp thụ là phương pháp dựa trên cơ sở của quá trình truyền khối, nghĩa là phân chia hai
pha. Phụ thuộc vào tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí.

Phương pháp hấp thụ được chia ra làm hai loại: hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học.
- Hấp thụ vật lý dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.
- Hấp thụ hóa học: chất hấp thụ tham gia phản ứng hóa học với dung môi hấp thụ.
Để hấp thụ các oxit nitơ người ta dùng nước, dung dịch kiềm, axit và chất oxi hóa.
3.2.1 Hấp thụ bằng nước
Khi hấp thụ NO2 bằng nước một phần axit nitric được sinh ra ở pha khí:
3NO2 + H2O <=> 2HNO3 + NO + Q
Để xử lý các oxit nitơ có thể sử dụng dung dịch oxi già loãng.
NO + H2O2 = NO2 + H2O
NO2 + H2O = 2HNO3 +NO
N2O3 + H2O2<=> N2O4 + H2O
N2O4 + H2O <=> HNO3 + HNO2
Yếu tố cơ bản xác định kinh tế của quá trình là lưu lượng oxi già (vào khoảng 6kg/tấn
axit).
Hấp thụ NOx thành HNO3 tăng theo độ tăng của nồng độ axit và áp sất riêng phần của
NOx. Để thúc đẩy quá trình có thể dùng chất xúc tác.Hiệu quả xử lý có thể đạt 97%.
3.2.2 Hấp thụ bằng kiềm
Người ta sử dụng nhiều dung dịch kiềm và muối khác nhau. Hấp thụ hóa học NO2 bằng
dung dịch Soda diễn ra theo phương trình phản ứng sau:
NHÓM 1

13


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

2NO2 + Na2CO3 = NaNO3 +CO2 + Q
Các phương trình phản ứng cho quá trình hấp thụ N2O3 bằng các dung dịch kiềm hoặc

huyền phù khác như sau:
2NaOH + N2O3 = 2NaNO2 + H2O
Na2CO3 + N2O3 = 2NaNO2
2NaHCO3 + N2O3 = 2NaNO2 + 2CO2 + H2O
2KOH + N2O3 = 2KNO2 + H2O
K2CO3 + N2O3 = 2KNO2 + CO2
2KHCO3 + N2O3 = 2KNO2 + 2CO2 + H2O
Ca(OH)2 + + N2O3 = Ca(NO2)2 + H2O
CaCO3 + N2O3 = Ca(NO2)2 + CO2
Mg(OH)2 + N2O3 = Mg(NO2)2 + H2O
MgCO3 + N2O3 = Mg(NO2)2 +CO2
Ba(OH)2 + N2O3 = Ba(NO2)2 + H2O
BaCO3 + N2O3 = Ba(NO2)2 + CO2
2NH4OH + N2O3 = 2NH4NO2 + H2O
2NH4HCO3 + N2O3 = 2NH4NO2 + H2O + CO2
Khi hấp thụ N2O3 độ hoạt động của các dung dịch kiềm giảm theo thứ tự sau:
KOH
1

>

NaOH

0,84

NaHCO3>
0,51

>Ca(OH)2>
0,80

KHCO3>
0,44

Na2CO3>

0,78
MgCO3>
0,40

K2CO3 >

0,63

BaCO3>
0,40

Ba(OH)2>

0,56
CaCO3>Mg(OH)2
0,39

0,35

Các chỉ số nêu lên độ hoạt động của dung dịch kiềm tương đối so với dung dịch KOH .
Các dữ liệu này tương ứng với các nồng độ ban đầu của dung dịch là 100g/l và thời gian hấp
thụ là 10 phút.
3.2.3 Hấp thụ chọn lọc
Để hấp thụ NO khi không có O2 trong pha khí, có thể sử dụng các dung dịch FeSO4,

FeCl2, Na2S2O2, NaHCO3.
Phương trình phản ứng tạo thành các phức sau:
FeSO4 +NO <=>Fe(NO)SO4
FeCl2 + NO <=>Fe(NO)Cl2
NHÓM 1

14


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

Khi đun nóng đến 95 – 100oC, phức Fe(NO)SO4 phân rã, sinh ra NO, còn dung dịch
được dùng lại. Phức Fe(NO)Cl2 cũng phân rã tương tự.
Dung dịch FeSO4 dễ kiếm và hấp thụ hiệu quả. Khả năng hấp thụ của dung dịch phụ
thuộc vào nồng độ FeSO4, nhiệt độ và nồng độ NO trong pha khí. Ở nhiệt độ 20 - 25oC dung
dịch có thể hấp thu No với nồng độ thấp, sự có mặt của axit H2SO4, HNO3, các muối và hợp
chất hữu cơ trong dung dịch làm giảm khả năng hấp thụ của nó. Tuy nhiên sự có mặt H2SO4
với nồng độ 0,5 – 1,5% thể tích bảo vệ FeSO4 khỏi bị oxi hóa bởi oxi trong không khí thành
Fe2(SO4)3.
Sử dụng dung dịch Na2S2O3, NaHSO4, (NH2)2CO sẽ tạo thành nitơ .
2Na2S2O3 + 6NO = 3N2 + 2na2So4 + 2SO2
2NaHSO3 + 2NO = N2 + 2NaHSO4
2(NH2)2CO + 6NO = 5N2 + 4H2O + 2CO2
Ở nhiệt độ cao hơn 200oC, NO liên kết với NH3theo phản ứng:
4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O
Axit sunfuaric được sử dụng để hấp thụ NO2 và N2O3:
H2SO4 + 2NO = HNSO5 + HNO3
2H2SO4 + N2O3 = 2 HNSO5 + H2O

Khi đun nóng hoặc pha loãng bằng nước HNSO5 sẽ sinh ra các oxit nitơ:
HNSO5 + H2O = 2HSO4 + NO + NO2
Tương tác giữa các oxit nitơ với chất hấp thụ hiệu quả nhất ở nhiệt độ 20 – 40oC.
3.2.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO2 và NOx
Khí thải chứa SO2 và NOx sinh ra khi đốt nhiên liệu có lưu huỳnh. Xử lý đồng thời SO2
và NOx được tiến hành bằng dung dịch kiềm. khi hấp thụ bằng dung dịch NaOH và Na2CO3,
sản phẩm hấp thụ sẽ là Na2SO4, NaCl, Na2CO3, NaNO2; còn hấp thụ bằng Ca(OH)2 sản phẩm
sẽ là CaSO4, Ca(NO3)2. Hiệu quả xử lý SO2 thường khoảng 90%, còn NOx là 70 – 90%.
3.3. Xử lý NOX bằng phương pháp xúc tác và nhiệt
Bản chất của quá trình xúc tác là để làm sạch khí và thực hiện các tương tác hóa học
nhằm chuyển hóa chất độc thành sản phẩm khác với sự có mặt của chất xúc tác đặc biệt. Chất
xúc tác không làm thay đổi mức năng lượng của các phân tử chất tương tác và không làm
dịch chuyển cân bằng phản ứng đơn giản. Vai trò của chúng là làm tăng vận tốc tương tác hóa
học.

NHÓM 1

15


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

Chất xúc tác rắn gồm 2 hay nhiều cấu tử với vai trò là: chất hoạt động xúc tác, chất trợ
xúc tác và chất mang. Chất hoạt động xúc tác là chất chịu trách nhiệm làm tăng tốc độ phản
ứng. Chất trợ xúc tác là chất mà bản than nó không có tác dụng xúc tác, nó là nền để phân bố
các phần tử hoạt động xúc tác cũng như các thành phần nền khác lên.
NOx trong khói thải có thể được giảm thiểu có xúc tác bằng các chất gây phản ứng khác
như: CO, H2, CH4, H2S, NH3 … Các phản ứng thường là phản ứng tỏa nhiệt, với nhiệt lượng

tỏa ra khá lớn và làm cho nhiệt độ khí thải tăng cao. Đó là đặc điểm của quá trình giảm thiểu
bằng CH4. Khi sử dụng các kim loại quí làm xúc tác như platin – paladi (Pt-Pd), nhiệt độ khói
thải với chất phản ứng khử nằm trong khoảng 450oC. khi sử dụng khí làm chất gây phản ứng
khử, bản than nó là loại khí độc hại thường có mặt trong khí thải và quá trình trở nên toàn
diện hơn nếu kết hợp khử NO và SO2 trong cùng hệ thống.
3.3.1. Khử oxit nitơ có xúc tác và nhiệt độ cao
Quá trình diễn ra khi tiếp xúc NOx với khí khử trên bề mặt xúc tác. Xúc tác có thể là các
kim loại nhóm platin (paladin (Pd), ruteni (Ru), rodi (Rh), platin (Pt)) hoặc rẻ hơn nhưng kém
hiệu quả và kém ổn định hơn như niken, crom, đồng, kẽm, vanadi (V), xeri (Ce)… Với mục
đích tăng bề mặt tiếp xúc, chúng được phủ lên các vật liệu xốp như: sứ, oxit nhôm, silicagen,
băng kim loại… có hình dạng khác nhau.
Chất khử là metan, khí tự nhiên, khí than hoặc khí dầu mỏ, CO, H2 hoặc hỗn hợp nitơhydro.
Hiệu quả khử NOx phụ thuộc hoạt tính của xúc tác. Xúc tác trên cơ sở platin kim loại
khi vận tốc thể tích của khí (2-12)x104 l/h cho phép đạt nồng độ còn lại trong khí của NOx
5x10-4 – 5x10-2 % thể tích.
Khí thải chứa NOx của sản xuất acid nitric cần phải đun từ 30 – 35o lên nhiệt độ cháy
của xúc tác. Nhiệt độ này phụ thuộc chất khử: 450 – 480oC đối với mêtan, 350o đối với
propan và butan, 150 – 200oC đối với hydo và oxit cacbon.
Bản chất quá trình khử được biểu diễn bằng các phản ứng sau:
4NO + CH4 → 2N2 + CO2 + 2H2O
2NO2 + CH4 → N2 + CO2 + 2H2O
2NO + 2CO + → N2 + 2CO2
2NO2 + 4CO → N2 +4CO2
2NO + 2H2 + 4H2O
Trên thực tế thường sử dụng khí tự nhiên do dễ kiếm và rẻ. Các quá trình khử là phản
ứng tỏa nhiệt nhưng nhiệt lượng để đun nóng hỗn hợp phản ứng chủ yếu là nhiệt phản ứng
NHÓM 1

16

GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

của chất khử với oxi vì nồng độ của nó trong khí lớn hơn NOx nhiều lần. Trong quá trình khử,
nhiệt độ khí tăng nhanh đến 700oC và lớn hơn, do đó cần phải sử dụng xúc tác bền nhiệt hoặc
chất khử có nhiệt độ cháy thấp hoặc tiếp xúc theo bậc với sự làm ngược trung gian.
Phương pháp này được ứng dụng để khử NOx trong sản xuất axit nitric, khí thỉ chứa (%
thể tích): NOx – 0,05÷0,1, N2 – 96,0÷96,2, O2 – 2,2÷3,0.
Khí thải từ tháp hấp thụ được gia nhiệt đến 50oC và loại hơi axit trong thiết bị gia nhiệt
– phân riêng, sau đó được đun nóng đến 110-135oC trong thiết bị truyền nhiệt bằng long khí
công ngệ, rồi được trộn với hỗn hợp khói lò để đạt nhiệt độ 390-500oC. Hỗn hợp này được
trộn với khí tự nhiên sao cho tỉ lệ CH4:CO2 là 0,55-0,6. Hỗn hợp thu được đi vào thiết bị phản
ứng để đốt cháy CH4 và khử NOx trên xúc tác paladi đến nguyên tố nitơ. Quá trình này tiến
hành ở 700-730oC dưới áp suất (4,5-5,7)x105Pa.
Khí từ thiết bị phản ứng được cho qua tuabin để tận dụng nhiệt năng của nó. Khí đi ra từ
tuabin có nhiệt độ 390-410oC được tiếp tục tận dụng nhiệt trong lò tạo hơi quá nhiệt đến
230oC dưới áp suất 13x105 Pa. Nhiệt độ khí thải khi đó giảm xuống đến 185oC và sau đó khí
được thải vào khí quyển qua ống khói cao 150m. Thành phần khí thải như sau (% thể tích):
NOx – 0,005 ÷0,01, Co – 0,13, CH4 – 0,4, O2 -0,15.
Quá trình khử NOx bằng xúc tác nhiệt đảm bảo hiệu quả xử lý cao. Tuy nhiên còn tồn tại
các nhược điểm sau: tiêu hao nhiều khí khử, cần làm sạch khí khỏi oxit cacbon (nồng độ
khoảng 0,1 – 0,15%), chỉ được sử dụng cho khí có nồng độ thấp (đến 0,5% đối với NOx và
đến 4-5% đối với oxi).
3.3.2. Khử NOx với xúc tác chọn lọc
Quá trình này thuận lợi hơn quá trình khử nhiệt độ cao ở chổ chất khử phản ứng chủ yếu
với NOx và hầu như không tương tác với Oxi. Chất khử là ammoniac với lưu lượng tương
đương hoặc lớn hơn 10-50% so với lượng chất khử được tính theo phương trình lượng hóa
học. Quá trình diễn ra các phản ứng tỏa nhiệt sau:

6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O
6NO + 8NH3 → 7N2 +12H2O
8NO +2NH3 → 5N2O + 3H2O
5NO2 + 2NH3 → 7NO + 3H2O
Vì vậy sản phẩm phản ứng không độc (nitơ và nước).
Oxi trong khí thải thúc đẩy phản ứng khử:
4NO + 4NH3 +O2 → 4N2 + 6H2O

NHÓM 1

17


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

Nhiệt độ phản ứng khử tương đối thấp 180 – 360oC và tỏa long75 nhiệt không lớn. Vì
vậy, nhiệt độ của khí tăng lên trong vùng xúc tác chỉ 10 – 20oC
Khí amoniac dư chúng sẽ bị oxi hóa bởi oxi trong khí thải:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6 H2O
Quá trình yêu cầu thiết bị đơn giản, hiệu suất xử lý cao và đã áp dụng vào thực tiển.
3.3.3. Phân hủy NOx bằng chất khử dị thể
Ở nhiệt độ 500 – 1.300oC sự phân hủy NOx có thể diễn ra trên vật liệu rắn có chứa
cacbon như than, than cốc, grafit. Các bon đóng vai trò xúc tác và nhiên liệu.
C +NO → (C – 0) + 0,5N2
(C – O) + NO → CO2 +0,5N2
Hoạt tính của xúc tác này mau mất vì vậy để tăng độ phân hủy NOx có thể cho thêm vào
grafit cacbonat Natri. Khi nhiệt độ tăng độ chuyển hóa và vận tốc quá trình chuyển hóa tăng:
Ở nhiệt độ 800oC độ chuyển hóa của NOX khi dùng than cốc là 96% và ở 1000oC tiến

đến gần 100%.
3.3.4. Phân hủy NOx bằng chất khử đồng thể và dị thể không có xúc tác:
Phương pháp phân hủy nhiệt NOx dựa trên chất khử là khí tự nhiên. Khí được đun nóng
đến 400oC trong thiết bị truyền nhiệt (nhờ niệt lượng của khí sau xử lý) và cho vào thiết bị
phản ứng cùng với khí tự nhiên và không khí để đốt cháy nó. Trong thiết bị phản ứng ở 1.000
– 1.100oC diễn ra sự phân hủy NOx thành các sản phẩm không độc. Khí nóng này đi qua
buồng đốt phụ trợ ở 600oC đi qua thiết bị truyền nhiệt để nhường nhiệt lượng cho khí thải ban
đầu và sau đó ở 200oC nhờ quạt đẩy qua ống khói thải vào khí quyển.
Khi xử lý một thể tích tương đối nhỏ khí thải chứa NOx bằng phương pháp phân hủy
nhiệt độ cao bởi chất khử đồng thể về mặt kinh tế có lợi hơn so với phương pháp xúc tác và
kiềm.
Để xử lý một thể tích lớn khí thải với nồng độ NOx nhỏ chất khử có thể dùng là khí
amoniac, khi đó cho phép giảm đáng kể nhiệt độ của quá trình phân hủy.
Ở nhiệt độ 30 – 40oC diễn ra các phản ứng tỏa nhiệt sau:
NH4 + H2O <=> NH4OH
2NO2 + 2NH4OH → NH4NO2 + NH4NO3 + H2O
N2O3 + 2NH2OH → 2NH4NO2 + H2O
Sự đun nóng dòng khí tiếp theo dẫn đến sự phân hủy các acrosol nitric và nitrat tạo
thành các sản phẩm không độc.
NHÓM 1

18


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

NH3NO2 → N2 + 2H2O
NH4NO3 → N2 + 2H2O +1/2 O2

Nitric amon phân rã mãnh liệt ở 70 – 80oC, còn nitrat amoni phân hủy ở nhiệt độ 230240oC. Nếu nồng độ NOx trong khí thải 0,4% thể tích) và ammonia được nhập vào với số
lượng lớn theo phương trình lượng hóa học thì mức độ phân hủy các muối ở 250oC là 98%
còn ở 300oC là 100%.
Sử dụng cacbanic ở dạng dung dịch với nước hoặc trong axit HNO3, H2PO4, H3PO4 làm
giảm nhiệt độ phân hủy. Tuy nhiên, vận tốc không lớn và hiệu quả làm sạch không quá 80%.
Sử dụng dung dịch nước – cacbanic:
NO2 + H2O → HNO3 +HNO2
2HNO2 + CO(NH2)2 → 2N2 + CO2 + 3H2O
N2O3 + CO(NH2)2 → 2N2 + CO2 + 2H2O
Sử dụng dung dịch axit nitric – cacbanit
NO + NO2 + HNO3 + 2CO(NH2)2 → 2N2 + NH4NO3 + 2CO + H2O
Cacbanit được dùng ở dạng bột hoặc hạt, phủ lên các chất mang xốp hay được ép cùng
với nó.Hiệu quả xử lý NOx có thể đạt 85 – 99% và lớn hơn.
So sánh phương pháp XL NOx bằng kỹ thuật SCR và SNCR
SNCR
Nguyên lý

SCR

Là công nghệ xử lý NOx trong khi Là công nghệ xử lý NOx sau khi
cháy
cháy
Đều khử NOx bằng các hợp chất mà trong đó nito mang hóa trị âm như
ammoniac, đạm ure,…
•

Cơ chế
ứng

NHÓM 1

Lợi dụng nhiệt độ cao của khí thải • Sử dụng chất xúc tác để giảm
hoặc nhiệt độ ngay trong lò đốt để
nhiệt độ phản ứng khử NOx về
khử NOx
N2
0
• Nhiệt độ phản ứng >800 C
• Khi có mặt chất xúc tác, nhiệt độ
phản ứng sẽ xảy ra trong khoảng
180 – 450 độ C
0
phản • ở nhiệt độ > 800-980 C, cho dd • Trong quá trình khói thải di
ure vào hỗn hợp khí thải thì có
chuyển trên bề mặt qua các lỗ xốp
các pt pư:
của vật mang chất xúc tác, NOx
• NO + NO2 + (NH2)2CO → 2N2 +
sẽ bị khử bởi amoniac hoặc ure
19


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

CO2 + 2H2O
• Các chất xúc tác thường sử dụng
• (NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2
là: V2O5, zeolit mang kim loại,

TiO2, hỗn hợp oxit kim loại
chuyển tiếp…
6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 2H2O
6 NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
Đặc điểm

Chi phí đầu tư và vận hành thấp • Không phát sinh sp phụ cần phải
xử lý
nhưng hiệu quả lại không cao
• Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt
• Chi phí thấp
• Khử được 80% NOx với tỷ lệ
NH3/NOx là 0,81 – 0,82

Quy trình

•
•
•
•

B1: Khử NOx ở nhiệt độ cao
B2: Trao đổi nhiệt
B3: Tách bụi thô
B4: XL cuối cùng để tách nốt bụi
nhỏ và khí độc khác

• B1: Trao đổi và ổn định nhiệt

• B2: Trộn khí
• B3: Oxi hóa khử có xúc tác tại
tháp xúc tác có chọn lọc
• B4: điều hòa và thải

Sơ đồ công nghệ SNCR

NHÓM 1

20


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

Sơ đồ công nghệ SCR

4. Công nghệ SCR:
4.1 Khái niệm.
Khử chọn lọc xúc tác (SCR) là quá trình trong đó NOx được khử bởi NH3 trong một
chất xúc tác dị thể với sự có mặt của O2. Các quá trình được gọi là lựa chọn ưu tiên vì NH3
NHÓM 1

21


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

phản ứng với NOx chứ không phải là với O2. Tuy nhiên,oxy giúp tăng cường phản ứng và là
một thành phần cần thiết của quá trình.
SCR là công nghệ sau đốt có kỹ thuật tiên tiến nhất có khả năng giảm phát thải NOx
đến mức rất thấp quy định trong nhiều khu vực trên thế giới. So với các quy trình giảm NOx
sau đốt khác, SCR rõ ràng là quá trình tiên tiến nhất. Công nghệ này đã được sử dụng trên
toàn thế giới để giảm lượng khí thải được tạo ra bởi khí, dầu, và nhà máy điện tiện.
Lựa chọn công nghệ SCR có những ưu điểm sau:
-

-

Nó là một trong số ít các công nghệ có khả năng loại bỏ NOx mức cao(80% hoặc
nhiều hơn) từ than cao-lưu huỳnh.
Nó được áp dụng cho tất cả các loại nồi hơi, lò hơi bao gồm cả cyclon đốt mà không
thể trang bị thêm dễ dàng các loại công nghệ kiểm soát NOx.
Nó có thể được sử dụng cho các nhà máy điện mới và hiện có.
Nó có khả năng có thể tạo ra hàng ngàn công ăn việc làm trong các ngành công nghiệp
khác nhau (cung cấp nguyên liệu, sản xuất chất xúc tác, xây dựng và hoạt động của cơ
sở) trong khi giúp tiết kiệm công việc liên quan đến khai thác than cao-lưu huỳnh.
Ít có các sản phẩm phụ, và các chất khó xử lý khác (Chỉ có nitơ và nước hình thành).
Vốn và chi phí thấp.
Quá trình này dựa trên một phản ứng hóa học đơn giản. Điều này cải thiện độ tin cậy
của công nghệ.
SCR là một quá trình khô với các bộ phận chuyển động. Hệ thống chỉ đòi hỏi một vài
thay đổi ở nồi hơi.
Tất cả các chất xúc tác làm việc tương đối tối ở cùng một loại bỏ NOx ít hơn 2 ppm
trong điều kiện cơ bản (ví dụ, 80% loại bỏ NOx) và trong nhiều trường hợp đo được
dưới mức giới hạn 1ppm.

Các quy trình SCR là tương đối đơn giản, chỉ cần một lò phản ứng, một chất xúc tác,và
lưu trữ amoniac và hệ thống phun. Nhiệt độ tối ưu cho noncatalytic phản ứng là khoảng
1300K. Chất xúc tác có hoạt tính cao làm giảm phản ứng nhiệt độ khoảng 570-720K. Để
tránh sự hâm nóng các khí thải, lò phản ứng thường nằm ngay sau khi nồi hơi, trước hoặc
sau khi thiết bị kiểm soát hạt .
Tiêu chuẩn hiệu suất cho SCR sẽ tùy thuộc và các hệ xúc tác khác nhau: NOx chuyển
đổi, giảm áp suất,tuổi thọ chất xúc tác / hệ thống, chi phí và oxy hóa SO2 tối thiểu để SO3.
Một chất xúc tác SCR tối ưu là phải đáp ứng cả về việc giảm áp và mục tiêu chuyển đổi
NOx đối với một lượng tối thiểu chất xúc tác. Vì mối tương quan giữa mật độ các ô mạng,

NHÓM 1

22


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

giảm áp suất, và khối lượng chất xúc tác, cần chọn mật độ ô mạng chất xúc tác cần thiết để
tối ưu hóa hiệu năng hệ thống SCR.
4.2Nhiệt động học của quá trình SCR khử NO bằng NH3
4.2.1 Nhiệt động của quá trình
Cách đơn giản nhất để phân hủy hợp chất NO là phân hủy chúng thành N2và O2:
2NO ↔ N2 + O2

ΔG= -86 kJ/mol , ΔH = 183 kJ/mol.

Phản ứng xảy ra quanh nhiệt độ 900oC. Phản ứng là thu nhiệt nên cần cung cấp một
lượng nhiệt khá lớn. Hơn nữa, nó có năng lượng hoạt hóa là 365kJ/mol. Để quá trình phân

hủy NO ra N2 có thể xảy ra dễ dàng hơn, ở một nhiệt độ thấp hơn, ta cần một loại xúc tác và
tác nhân khử thích hợp để xúc tiến quá trình, giảm năng lượng hoạt hóa.
Phản ứng của nitơ oxit với ammoniac hay ure tạo ra khí nitơ, nước hay cacbonic ở
nhiệt độ cao hay khi có mặt của các chất xúc tác chọn lọc :

Trong thực tế, sự có mặt đồng thời của NOx và ammoniac hay ure trong một không
gian nhất định, nếu nhiệt độ của hỗn hợp cao trên 800oC hoặc đặc biệt nếu có mặt của chất
xúc tác phù hợp thì phản ứng khử NOx thành N2 và nước xảy ra.Phản ứng khử ở nhiệt độ cao
không có mặt xúc tác thường là không triệt để và rất khó kiểm soát( phản ứng 1). Hiệu suất
khử NOx chỉ đạt khoảng từ 30 đến 70%. Mặt khác nếu sử dụng ure ở nhiệt độ cao thì đồng
thời cũng xảy ra phản ứng phân hủy của ure. Nếu quá trình phân hủy tạo thành NH3 (phản
ứng 2, thường là ở nhiệt độ khoảng 800oC) thì phản ứng khử tiếp theo là thuận lợi; còn sản
phẩm phân hủy nhiệt chủ yếu là nitơ ( phản ứng 3) thì hiệu xuất xử lý sẽ giảm mạnh, đặc biệt
khi nhiệt độ trên 1000oC.

NHÓM 1

23


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

Mặc dù loại hình cụ thể của chất xúc tác có thể thay đổi, việc giảm NO hiệu quả có
thể được thực hiện bằng một loạt các chất khử khác nhau, ví dụ như CO, hydrocarbon, H2,
hoặc NH3 . Trong các chất khử này thì NH3 cho thấy khả năng cho độ chọn lọc của sự khử
NOx về N2 rất cao và đồng thời cũng cho hiệu suất chuyển hóa rất cao. Chúng ta cũng có thể
thấy khi dùng NH3 làm chất khử NOx thì sản phẩm của quá trình không thể là NH3, do đó độ
chọn lọc của sự khử NOx ở đây chỉ là giữa N2O và N2.Amoniac là chất duy nhất có khả năng

chọn lọc phản ứng với NOx để tạo thành N2 thay vì bị oxy hóa bởi oxy thành N2, N2O, NO.
Trong việc giảm xúc tác có chọn lọc, NO và NO2 được loại bỏ bởi một phản ứng với NH3 và
O2 thành N2 (vô hại) và H2O. Các phản ứng chính của NOx được nêu trong phản ứng (1-2)
đến (1-6):

Tất cả các phản ứng của NOx trên là tỏa nhiệt mạnh mẽ và cũng thể hiện sự sụt giảm
đáng kể trong năng lượng tự do Gibbs (tất cả thấp hơn -1250 kJ / mol). Điều này có nghĩa
rằng tất cả các phản ứng (1-2) đến (1-6) có thể được coi là chỉ xảy ra từ bên trái sang phải.
4.2.2 Xúc tác cho quá trình (V2O5/TiO2)
Mặc dù nhiều loại xúc tác với cấu hình và đặc tính khác nhau đã được phát triển cho quá
trình SCR, nhưng không có chất xúc tác SCR nào có thể hoạt độngkinh tế trên phạm vi nhiệt
độ rộng của quá trình đốt cháy trong các hệ thống. Vì vậy, lựa chọn chất xúc tác phụ thuộc
phần lớn vào nhiệt độ của khí thải đang được nghiên cứu. Dưới nhiệt một nhiệt độ tối ưu, hoạt
động chất xúc tác sẽ giảm đáng kể, cho phép amoniac không phản ứng. Trên phạm vi này,
amoniac bắt đầu bị ôxi hóa để tạo thêm NOx. Khi hoạt động, điều khiển nhiệt độ thích hợp là
rất quan trọng, như là thống nhất nhiệt độ khí lò (Campbell và cộng sự, 1991).
Các thành phần và nhiệt độ phạm vi hoạt động xúc tác có thể được phân loại như:
Nhiệt độ thấp (175 - 250oC): Platinum
Nhiệt độ trung bình (260 - 450oC): Vanadium
Nhiệt độ cao (350 - 600oC): Zeolite
Các chất xúc tác (Pt) kim loại quý đã được phát triển chủ yếu vào năm 1960 cho các
hoạt động ở nhiệt độ từ khoảng 175 đến 250°C. Tuy nhiên, vì nhạy cảm với các chất độc, các
NHÓM 1

24


GVHD: TH.S VƯƠNG THANH HUYỀN

Xúc tác xử lý khí NOx

chất xúc tác không thích hợp cho nhiều ứng dụng đốt. Ngoài ra, hoạt động bằng nhiên liệu
lỏng là phức tạp do khả năng lắng đọng của muối amoni sulfat trong lỗ mao quản của chất
xúc tác (Speronello et al., 1992).
Các công thức chất xúc tác phổ biến nhất SCR được phát triển tại Nhật Bản vào cuối
những năm 1970 bao gồm các oxit kim loại cơ bản như pentôxít vanadi, V2O5 , mang trên
titanium dioxide TiO2 (Farrauto et al. 1992). Như đối với chất xúc tác ở nhiệt độ thấp,sự
chuyển đổi NOx sẽ tăng khi nhiêt độ tăng, nhưng sau đó lại giảm do sự oxi hóa NH3. Tuy
nhiên, sự chuyển hóa cao xảy ra ở nhiệt độ phạm vi từ 300 đến 450°C, và NOx chuyển đổi
nhiều hơn so với nhiệt độ xúc tác thấp (Speronello et al., 1992). Hơn nữa chất xúc tác vanadi /
Titanium có sức đề kháng ngộ độc bởi SOx cao hơn.
Một họ các chất xúc tác zeolit đã được phát triển, và đang ngày càng được sử dụng
trong các ứng dụng SCR. Zeolit có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn so với các chất xúc tác
thông thường và có hiệu quả trong phạm vi của 350-600°C, phạm vi nhiệt độ tối ưu 360580°C (Campbellet al., 1991, Shareef et al., 1992). Tuy nhiên, quá trình oxy hóa NOx bắt đầu
ở khoảng 450°C và chiếm ưu thế ở nhiệt độ trên 500°C. Đặc biệt, tại khoảng 550°C cấu trúc
zeolit có thể bị phá hủy do mất lỗ mao quản.
Trong thực tế, V2O5 có thêm TiO2 mang trên nền gốm hay lưới kim loại được sử dụng
nhiều nhất, do xúc tác loại này giá rẻ hơn nhưng lại cho hiệu quả xử lý cao và dễ tạo hình, lắp
đặt.
4.2.2.1

Pha hoạt tính – V2O5

V2O5 là một oxit có khả năng oxi hóa chọn lọc do có khả năng cho đi oxi mạng lưới
của mình. Vanadi là một kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm Vb với nhiều mức oxi hóa khác
nhau. Trong oxit có số oxi hóa là +5.
V2O5 có cấu trúc tinh thể chặt chẽ, các nguyên tử oxi liên kết xung quanh một nguyên
tử vanadi theo hình tứ diện đều, các tiểu phân này lại đượcliên kết bằng các cầu oxi và sắp
xếp theo từng lớp.

NHÓM 1

25