吴小强，严会成，许云波，欧军，刘阳
（四川蜀泰化工科技有限公司，四川 大英629300）
［摘 要］N2O是硝酸生产过程中氨氧化制备NO的副产物，目前主流的N2O减排方案是在氧化炉内贵金属网下装入N2O减排催化剂，以使N2O分解为N2和O2。自2014年开始，四川蜀泰化工科技有限公司历经小试及中试的试验评价、生产工艺优化，于2016年成功开发出SCST-102型N2O炉内减排催化剂，并于同年在四川金象赛瑞化工股份有限公司150 kt/a双加压法稀硝酸装置上投入试运行。活性评价试验结果表明，SCST-102型N2O炉内减排催化剂能很好地适应高温、高空速工况条件，且在850 ℃以上杂质气体对N2O分解效率几乎无影响，适用于硝酸装置氧化炉内N2O的减排。工业应用情况表明，SCST-102型N2O炉内减排催化剂活性稳定、选择性高，N2O减排效果明显，且其颗粒破碎强度高、耐热稳定性好，可有效保护铂网。此外，相较于进口产品，SCST-102型N2O炉内减排催化剂在自身性能、供货价格、生产（供货）周期等方面都具有明显的优势。
［关键词］硝酸装置；氧化炉；SCST-102型N2O炉内减排催化剂；活性评价试验；工业应用；减排效果；应用前景
［中图分类号］TQ111.26+2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）03-0037-04
0 引 言
目前，大气中N2O的体积分数约3.1×10-7，且每年的平均增长速率约为0.2%～0.3%［1］。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）大气化学家Ravishankara等发表的一项新的研究报告指出，若不采取减排措施，到2050年，大气中的N2O平均浓度将比2005年增加80%［1］。因此，如何有效控制及消除N2O己成为全球关注的重要环境问题。
N2O的来源主要包括农业土壤耕种和工业已二酸、硝酸、化肥的生产，以及使用硝酸为氧化剂的化工过程和流化床中煤的燃烧［2-3］。其中，农业及相关领域N2O排放量占比最大；其次是工业排放，而工业排放中硝酸和己二酸的生产是最主要的来源，仅硝酸和己二酸生产中N2O的排放量就占到全球N2O总排放量的5%［2-3］。
与农业领域相比，虽然工业领域排放的N2O量相对较小，但工业N2O排放完全是人类活动的结果，其减排的可操作性与可控性非常高，因此N2O减排主要以工业装置减排为主，尤其是以硝酸装置的减排受关注度最高。
1 硝酸装置N2O减排方案
N2O是硝酸生产过程中氨氧化制备NO的副产物，为了除去硝酸生产过程产生的N2O，全球科研工作者进行了大量的研究，并找到了有效的解决方法。《Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry》一书中详细阐述了硝酸工业生产过程中减排N2O的3种措施：① 将氨选择性氧化成NO，并通过改变氨氧化催化剂的化学组成，尽量避免N2O的生成；② 直接将N2O减排催化剂装入氨氧化炉（简称氧化炉）内的贵金属网（铂网）下部，但这对N2O减排催化剂的工作温度要求较高，一般其使用温度范围长期在800～1 000 ℃；③ 将N2O在低温下催化分解，一般N2O减排催化剂的工作温度在200～700 ℃［4］。
目前，主流的N2O减排方案是在氧化炉内贵金属网下装入N2O减排催化剂，对在氧化炉内贵金属网催化作用下产生的少量N2O，通过减排催化剂的催化作用使N2O分解为N2和O2，现阶段国外减排催化剂对N2O的分解率可达80%以上。此法在已有硝酸装置上的实施很简单，将原用于托起贵金属网的全部瓷球改为装填减排催化剂即可，对硝酸装置的生产运行无影响。
四川蜀泰化工科技有限公司开发的SCST-102型N2O炉内减排催化剂，是一种具有多金属氧化物成分的复合型催化剂，自2014年开始，历经小试、中试的试验评价以及生产工艺优化，于2016年开发成功，并于同年在四川金象赛瑞化工股份有限公司（简称四川金象）150 kt/a双加压法稀硝酸装置（2#硝酸装置）上投入试运行，现对有关情况作一小结。
2 SCST-102型N2O炉内减排催化剂的开发
2.1 N2O炉内减排催化剂的物化特性
SCST-102型N2O炉内减排催化剂的外观为瓦灰色七孔平面圆柱体，催化剂颗粒直径为（11.0±0.1） mm，圆柱体颗粒高度为（9.0±0.5）mm，平均抗压强度≥70 N，体积收缩率（1 100 ℃，3 h）≤3%，比表面积≥10 m2/g；堆密度为（1.5±0.1）kg/L。
2.2 催化剂活性评价试验
SCST-102型N2O炉内减排催化剂活性评价试验是在常压固定床不锈钢管反应器中进行的，装填颗粒催化剂破碎为20～40目的样品10 mL，装入反应器等温层，装填高度为5 cm。
检测用原料气中N2O含量为1 155×10-6、O2含量为6%、其余为N2；检测温度为（870±2） ℃，检测压力为常压；反应物和产物采用装配5A分子筛填充柱和Propark Q填充柱的Agilent 6890N气相色谱仪检测。
催化剂的活性以N2O转化率（N2O分解效率）表征，即N2O转化率=（进口N2O含量-出口N2O含量）/进口N2O含量×100%。
2.2.1 不同空速对N2O转化率的影响
实际工业生产过程中，N2O炉内减排催化剂的使用空速处于波动状态，实际瞬时空速远高于设计空速（≥30 000 h-1），为评价减排催化剂对高空速的适应性，考察了不同空速条件对N2O分解效率的影响，试验结果见表1。可以看出：SCST-102型N2O炉内减排催化剂在40 000 h-1以上的高空速下使用，N2O分解效率较好，即N2O炉内减排催化剂对高空速的适应性良好。
2.2.2 反应时间对N2O转化率的影响
上述试验条件下，以原料气空速40 000 h-1作为基准，考察反应时间对N2O分解效率的影响，结果如图1。可以看出：在测试周期内（100 h内连续运行工况下）N2O分解效率基本保持不变，表明N2O炉内减排催化剂的稳定性良好。
2.3 杂质气体对催化剂活性的影响
因硝酸装置原料气中含有O2、H2O、NO等，故考察了N2O炉内减排催化剂在不同气体氛围下的N2O分解效率，检测条件与前述一致，只是对原料气成分及检测温度进行了相应调整。
2.3.1 O2的影响
更多内容详见《中氮肥》2021年第3期