燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝技術(shù)

李廣正 姜茹

中國(guó)核電工程有限公司河北分公司

燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝技術(shù)

李廣正 姜茹

中國(guó)核電工程有限公司河北分公司

SCR技術(shù)是目前國(guó)際上最成熟、應(yīng)用最廣泛的脫硝技術(shù)，本文介紹了SCR脫硝技術(shù)的基本原理，分析了SCR法脫除N0X效率的影響因素，對(duì)加裝SCR提出了幾點(diǎn)建議。

SCR；煙氣脫硝；NOX

前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源消費(fèi)越來(lái)越多,隨之帶來(lái)的環(huán)境污染也越來(lái)越嚴(yán)重。煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)中占主導(dǎo)地位，燃煤排放的二氧化硫、氮氧化物是造成大氣污染、酸雨的環(huán)境污染的主要來(lái)源。現(xiàn)階段，煙氣脫硫項(xiàng)目已經(jīng)大規(guī)模實(shí)施，但煙氣脫硝剛剛起步。

目前，在世界上較為成熟的脫硝方法主要分為燃燒中脫硝和燃燒后脫硝兩類。燃燒中脫硝法是控制燃燒過(guò)程中NOX的生成，有空氣分級(jí)燃燒、燃料再燃燒、煙氣再循環(huán)和低N0x燃燒器等，該類方法具有建設(shè)周期短，投資少等優(yōu)點(diǎn)，但其脫硝效率較低，一般在40%以下，另外影響鍋爐的熱效率。燃燒后脫硝方法一般是指選擇性非催化還原(Selective Noncatalytic Reduction, SNCR)和選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction, SCR)。SNCR是在沒(méi)有催化劑存在的情況下，向爐膛噴射含有氨基的還原劑(一般為尿素和氨水)，迅速生成的NH3與煙氣中的N0x反應(yīng)成N2和H2O。SCR是指在催化劑的作用下，煙氣中的N0x被噴入煙氣中的氨還原成N2和H2O。SNCR法不需催化劑，脫銷效率為30%～50%，氨氣的逃逸率大，易造成環(huán)境污染，運(yùn)行溫度在800~1 000℃，現(xiàn)有中小型鍋爐可通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)，投資費(fèi)用低；SCR法反應(yīng)需要催化劑配合，效率最高可達(dá)95%，氨氣的逃逸率小，運(yùn)行溫度在400℃左右，適用于各種機(jī)組，但投資較大。SCR法技術(shù)成熟可靠，脫硝性能穩(wěn)定，脫硝效率高，液氨消耗少、目前在世界上被廣泛采用。

1 SCR脫硝技術(shù)的基本原理

SCR的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，主要的反應(yīng)是NH3噴入系統(tǒng)中，在催化劑的作用下，有選擇地把煙氣中的NOx的還原為N2和H2O。選擇性催化還原的反應(yīng)溫度為l50℃～450℃之間，其反應(yīng)可表示如下：

反應(yīng)式中以第一個(gè)反應(yīng)為主，由于煙氣中幾乎95% 的NOX是以NO的形式存在，如果沒(méi)有催化劑，反應(yīng)進(jìn)行的溫度范圍很窄(980℃左右)。經(jīng)過(guò)催化劑的合適選擇，可以降低反應(yīng)溫度，使反應(yīng)溫度適合燃煤鍋爐實(shí)際使用的290℃～430℃范圍。

當(dāng)改變反應(yīng)條件時(shí)，以下副反應(yīng)還可能發(fā)生：

NH3氧化為NO的反應(yīng)和NH3分解的反應(yīng)都在350℃以上才發(fā)生，反應(yīng)劇烈需要溫度到達(dá)450℃以上。在通常的選擇性催化還原反應(yīng)中，反應(yīng)溫度一般控制在300℃以下，這時(shí)只有NH3氧化為N2的副反應(yīng)發(fā)生。

但是在某些特定條件下，在SCR系統(tǒng)里也會(huì)有如下的不利反應(yīng)發(fā)生：

反應(yīng)中形成的 (NH4)2SO4和NH4HSO4很容易對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行玷污,對(duì)空氣預(yù)熱器的影響很大。

2 SCR法脫除NOX效率的影響因素

在選擇性催化還原系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，影響NOX脫除效率的因素有：煙氣流速、O2濃度、煙氣溫度、氨逃逸、水蒸氣濃度和催化劑鈍化影響等。

(1)煙氣流速。煙氣流速直接影響NOX與NH3的混合程度，煙氣流速越慢，NH3與NOX混合的充分，越容易提高NOX的脫除效率，因此需要設(shè)計(jì)合理的流速以保證NH3與NOX充分混合，以使反應(yīng)進(jìn)行完全。

(2)O2濃度。根據(jù)反應(yīng)的基本原理可知，反應(yīng)需要O2的參與，一般O2濃度控制在2%～3%。

(3)煙氣溫度。催化反應(yīng)最適合在特定的催化反應(yīng)溫度下進(jìn)行，因而反應(yīng)的進(jìn)程受煙氣溫度的直接影響。

(4)氨逃逸。根據(jù)反應(yīng)的基本原理可知，NH3量不足，會(huì)導(dǎo)致NOX脫除不完全，NH3過(guò)量，會(huì)造成環(huán)境的二次污染，因此NH3需要一個(gè)合適的量，通常是多余理論量的氨被噴射進(jìn)入系統(tǒng)，最佳值在某一個(gè)氨逃逸量后達(dá)到。

(5)水蒸氣濃度。催化劑性能隨著水蒸氣濃度的增加而下降，從而降低NOX的脫除效率。

(6)催化劑鈍化。催化劑的鈍化直接影響系統(tǒng)的脫硝效率，不利于SCR系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要有效控制。

3 催化劑

選擇優(yōu)良的催化劑是SCR技術(shù)的關(guān)鍵，催化劑分為金屬氧化物催化劑、碳基催化劑、貴金屬催化劑和分子篩催化劑等，目前使用中以金屬氧化物催化劑為主。應(yīng)用最多的金屬氧化物催化劑是以V2O5為活性成分的。V2O5可負(fù)載于Al2O3、SiO3、TiO2等氧化物上，現(xiàn)在使用的V2O5催化劑大部分是負(fù)載在二氧化鈦上的釩氧化物，輔以鎢與鉬為助催化劑。V2O5的工作溫度較低（350℃～450℃），抗中毒能力較強(qiáng)，催化劑表面呈酸性，容易將堿性的氨捕捉到催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)，并且其特定的氧化優(yōu)勢(shì)利于將氨和NOX轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?。SCR催化劑的形狀最早是粒狀的，現(xiàn)在一般做成蜂窩狀或平板狀，以防止催化劑層被粉末堵塞并減少壓力損失。

4 安裝位置

按照催化劑反應(yīng)器在煙氣除塵器之前或之后安裝，可分為高粉塵、低粉塵和尾部設(shè)置三種布置方式。

采用高粉塵布置時(shí)，SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，優(yōu)點(diǎn)是煙氣溫度高，進(jìn)入反應(yīng)器煙氣的溫度達(dá)300℃～500℃，滿足了催化劑反應(yīng)要求，多數(shù)催化劑在此溫度范圍內(nèi)有足夠的活性，煙氣不需加熱可獲得好的N0X凈化效果，因而這種布置方式被廣泛采用。其缺點(diǎn)是煙氣中飛灰含量高，對(duì)催化劑防磨損、堵塞及鈍化性能要求更高，使其壽命受到影響。

采用低粉塵布置時(shí)，SCR布置在除塵器之后，脫硝設(shè)備與鍋爐相對(duì)獨(dú)立，對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)無(wú)特殊要求。這種布置方式的特點(diǎn)是飛灰不會(huì)對(duì)催化劑造成影響，但除塵器需要在較高溫度下工作，有產(chǎn)生問(wèn)題的可能。

采用尾部設(shè)置的SCR反應(yīng)器，置于鍋爐的末端，在FGD之后，這種布置方式的特點(diǎn)煙氣中已經(jīng)去除了SO3等氣體，催化劑不再會(huì)受到他們帶來(lái)的影響，氨逃逸量相對(duì)最少，但是由于煙氣溫度較低，通常情況下需要設(shè)置煙氣再熱系統(tǒng)，以便將煙氣溫度提高。

在使用的實(shí)際裝置中，飛灰的污染程度是可以接受的。吸收塔垂直布置和增加吹灰措施也可以解決飛灰堵塞和催化劑腐蝕問(wèn)題，因此在脫銷工業(yè)中，SCR反應(yīng)器大多數(shù)都采用高粉塵布置方式(第一種布置方式)，這樣煙氣溫度高，不需設(shè)置煙氣再熱系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的熱效率不用降低。

5 加裝SCR的幾點(diǎn)建議

(1)加強(qiáng)后部煙道和除塵器的強(qiáng)度。鍋爐增設(shè)SCR后，煙道阻力隨之增加，一般增加l000Pa～1500Pa，所以引風(fēng)機(jī)的壓力需要增加，從而會(huì)造成后部煙道及除塵器等負(fù)壓的增加，這些部位的強(qiáng)度應(yīng)該加強(qiáng)。

(2)預(yù)防空預(yù)器積灰和腐蝕。NH3與SO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成 (NH4)2SO4和NH4HSO4，這些具有黏性，很容易對(duì)空氣預(yù)熱器進(jìn)行玷污,對(duì)空氣預(yù)熱器的影響很大。因此空氣預(yù)熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮內(nèi)部構(gòu)造并選擇合理的材料，可以采用蒸汽吹灰系統(tǒng)或者高壓水沖灰系統(tǒng)進(jìn)行解決。另外省煤器灰斗除灰占總灰量的5%，省煤器的出口煙氣流速通常為10m／s，而SCR反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速只有大約(4～6)m／s，肯定會(huì)造成一定的積灰。因此，在保留省煤器灰斗的基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮在SCR后布置灰斗。這樣對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行有利。

(3)旁路的設(shè)置。當(dāng)鍋爐運(yùn)行周期較長(zhǎng)，需要設(shè)置SCR旁路(從SCR入口到SCR出口)，以便對(duì)SCR裝置在線檢修。設(shè)置SCR旁路時(shí)，需要設(shè)置旁路擋板密封門。需要增加設(shè)備、投資增加，并產(chǎn)生旁路擋板密封和積灰問(wèn)題。是否設(shè)置SCR旁路需要綜合評(píng)估，主要依據(jù)鍋爐冷起動(dòng)的次數(shù)決定，若每年5～8次，則旁路無(wú)須設(shè)置，否則旁路推薦設(shè)置。

(4)選擇合適的催化劑。選擇合適的催化劑是SCR技術(shù)的關(guān)鍵，催化劑的性能直接影響反應(yīng)的進(jìn)行，因此需要選擇合適的催化劑，以便反應(yīng)按預(yù)設(shè)的反應(yīng)方向進(jìn)行，達(dá)到理想的脫硝效果。

6 小結(jié)

目前，我國(guó)控制煙氣中氮氧化物排放的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，治理排放力度不斷加大。因此將會(huì)有更多的燃煤鍋爐上馬脫銷工程?，F(xiàn)階段技術(shù)最成熟、采用最廣泛的是SCR煙氣脫硝技術(shù)。低NOX燃燒技術(shù)與SCR煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合，可以大幅度地減少NOX的排放量，并可以使SCR的使用周期延長(zhǎng)。通過(guò)煙氣脫硝工程的實(shí)施，NOX的排放必將得到有效控制，即可減少因酸雨造成的損失，又可改善環(huán)境空氣質(zhì)量，達(dá)到大家滿意的效果。

[1]楊冬，徐鴻，劉學(xué)亭.燃煤電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)綜述. 中國(guó)電力教育,2006

[2]石磊.燃煤鍋爐SCR法煙氣脫硝技術(shù).鍋爐技術(shù) ,2009

[3]吳金泉.淺談SCR煙氣脫硝工藝特點(diǎn).海峽科學(xué),2011

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.005