淺談燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用

佟維娟 陳雅鑫

摘 要：煙氣脫硝是目前世界上發(fā)達(dá)國家普遍采用的減少NOx排放的方法，煙氣脫硝能達(dá)到很高的NOx脫除效率，而應(yīng)用較多的是選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SCR）。隨著《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）的實(shí)施，我國火電廠燃煤鍋爐的脫硝治理迫在眉睫，有必要加強(qiáng)燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SCR）研究，減少NOx的排放。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；煙氣脫硝技術(shù)；選擇性催化還原；

近年來，氮氧化物的排放使我國大氣污染程度加劇，通常所說的氮氧化物包括一氧化二氮、一氧化氮、三氧化二氮、二氧化氮、四氧化三氮、五氧化二氮等。這些氮氧化物可以侵入呼吸道深部的細(xì)支氣管和肺泡，對(duì)肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激和腐蝕作用。同時(shí)氮氧化物參與光化學(xué)煙霧和酸雨的形成，具有更大的危害性。大氣中的氮氧化物70%以上來自于煤炭直接燃燒，而我國的能源結(jié)構(gòu)又是以煤炭為主，所以燃煤鍋爐所產(chǎn)生的氮氧化物，對(duì)我國大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SCR）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日本、德國、北歐、美國等國的燃煤鍋爐，具有技術(shù)成熟、脫硝率高、幾乎無二次污染的特點(diǎn)。我國也在積極的研究和應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，有效地控制燃煤鍋爐氮氧化物的排放。

一、煙氣脫硝技術(shù)

目前煙氣處理所采用的脫硝技術(shù)有很多種，包括選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原煙氣脫硝技術(shù)（SNCR）、SNCR/SCR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)、液體吸收法、微生物吸收法、活性炭吸附法、電子束法等。在多種煙氣脫硝方法中，只有SCR、SNCR和SNCR/SCR在大型燃煤電廠獲得了較好的商業(yè)應(yīng)用，其中SCR在全球范圍內(nèi)有數(shù)百臺(tái)的成功應(yīng)用業(yè)績(jī)和幾十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，日本和德國95%的煙氣脫硝裝置采用SCR技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)也是我國煙氣脫硝研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。

二、SCR反應(yīng)機(jī)理及系統(tǒng)布置

（一）SCR技術(shù)反應(yīng)機(jī)理

SCR技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理較為復(fù)雜，但主要的脫硝原理是在一定的溫度和催化劑的作用下，還原劑有選擇地把煙氣中的NOx 還原為無毒無污染的N2和H2O，還原劑可以使碳?xì)浠衔铩?、尿素等，工業(yè)應(yīng)用的還原劑只要是氨，其次是尿素。整個(gè)反應(yīng)過程共涉及十幾個(gè)反應(yīng)方程式，按照反應(yīng)過程的重要程度可以將這些反應(yīng)過程分為主要反應(yīng)和副反應(yīng)。以氨為還原劑的主要反應(yīng)所包含的方程式：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）；

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（2）；

副反應(yīng)所包含的方程式：

4NH3+3O2→2N2+6H2O （3）；

2NH3→N2+3H2（4）；

4NH3+5O2→4NO+6H2O （5）；

由于燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣中幾乎95%的NOx都是以NO的形式存在，因此，SCR技術(shù)的主要反應(yīng)為上述方程式中的（1）。如果是采用SNCR技術(shù)，即沒有催化劑存在的情況下，理想反應(yīng)溫度為800-900℃，但是這一溫度范圍很難控制，一旦反應(yīng)溫度超過900℃， NH3就會(huì)迅速被氧化為NO，從而降低NOx的還原速度[3]。據(jù)此分析可知SCR技術(shù)比SNCR技術(shù)更有實(shí)效性。在SCR技術(shù)中可以根據(jù)催化劑的種類調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，只要催化劑選擇合理，反應(yīng)溫度既可以高達(dá)250℃以上，也可以低至80℃，可見，SCR技術(shù)的反應(yīng)過程是可以自由選擇的。

（二）SCR技術(shù)系統(tǒng)布置

在SCR技術(shù)中，催化劑的選擇尤其重要，反應(yīng)過程中催化劑需安置在一個(gè)固定的箱體中，燃煤鍋爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過反應(yīng)器后流經(jīng)催化劑表面。由于煙氣是自下而上運(yùn)動(dòng)的，因此，為了保證煙氣與催化劑能夠完全接觸，往往將催化劑單元垂直放置在反應(yīng)器中，有時(shí)也會(huì)水平布置催化劑單元，根據(jù)反應(yīng)器在燃煤鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)中的放置位置，可以將其系統(tǒng)布置方式分為三種：高煙氣段布置、低煙氣段布置和尾部煙氣段布置[4]。反應(yīng)器布置方式不同其工藝流程也不同。高煙氣段布置就是將SCR反應(yīng)器安置在省煤器之后，該位置的煙氣溫度可以達(dá)到500℃，在這個(gè)溫度下大部分催化劑仍然能夠保持足夠的反應(yīng)活性，因此脫硝效果比較顯著。但是這種布置方式的建設(shè)成本較高，SCR反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)容易受燃煤鍋爐負(fù)荷的影響。將SCR反應(yīng)器安裝在燃煤鍋爐脫硝系統(tǒng)中的除塵器之后即為低煙氣段布置，該位置的煙氣含有大顆粒物質(zhì)，由于反應(yīng)器沒有自我清潔功能，因此該位置上的反應(yīng)器容易產(chǎn)生積灰。將SCR反應(yīng)器安裝在整個(gè)煙氣脫硝系統(tǒng)的最末端就是尾部煙氣段布置方式[5]。這里的粉塵量和SO2等物質(zhì)含量都較少，但是反應(yīng)溫度較低，要想使催化劑發(fā)生作用需對(duì)煙氣在此加熱，這樣就會(huì)增加運(yùn)行成本。

三、SCR脫硝效率的主要影響因素

在SCR脫硝工藝中，影響NOx效率的主要因素是反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑性能、NH3/NOx摩爾比等。

四、SCR技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)例

某電廠所使用的550MW鍋爐所需煤種較為復(fù)雜，NOx的排放量變化較大，煙氣脫硝難度也大，因此在該550MW的鍋爐上安裝了SCR系統(tǒng)?？紤]到所安裝SCR系統(tǒng)的要求溫度為300-400℃，需將反應(yīng)器放置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，確保煙氣溫度能夠滿足SCR系統(tǒng)所需要的反應(yīng)溫度。該SCR反應(yīng)器的水平方向上安裝有煙氣導(dǎo)流裝置和NH3噴射隔柵，垂直方向上安裝有催化劑床，為了避免煙氣泄露，還在催化劑床周圍安裝了封閉系統(tǒng)，防止煙氣在催化劑塊體之間逃逸。該SCR系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，催化劑是主要設(shè)備，煙氣所攜帶的飛灰中含有Na、Ca、Si、As等成分時(shí)，會(huì)使催化劑“中毒”或受污染，從而降低催化劑的效能，甚至完全喪失活性，因此，需要及時(shí)替換原有的催化劑，該廠在安裝使用SCR系統(tǒng)后每年約需要更換1/3的催化劑。

五、應(yīng)用SCR技術(shù)的幾點(diǎn)考慮

（1）綜合使用SCR技術(shù)與其他煙氣脫硝技術(shù)。雖然SCR技術(shù)的脫硝效果比較理想，但是建設(shè)成本和運(yùn)行成本較高，尤其是定期更換催化劑更需要大量的人力物力，若能把SCR技術(shù)和其他煙氣脫硝技術(shù)結(jié)合起來使用，可以降低成本費(fèi)用。燃燒控制和SCR技術(shù)的組合應(yīng)用被公認(rèn)為最先進(jìn)的一種聯(lián)合脫硝技術(shù)，鑒于我國許多大型機(jī)組已開始使用燃燒控制技術(shù)，基本具備硬件基礎(chǔ)，因此可以考慮推廣這種聯(lián)合方式。

（2）根據(jù)目前氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，各個(gè)行業(yè)的不同爐型都在考慮脫硝，對(duì)催化劑的反應(yīng)溫度要求越來越高，因此有必要開發(fā)一種低溫催化劑，避免對(duì)煙氣進(jìn)行再次加熱，增加運(yùn)行費(fèi)用。

結(jié)語

煙氣脫硝是目前許多國家普遍采用的減少NOx排放的方法，具有很高的脫除效率，我國應(yīng)當(dāng)立足于我國國情，加強(qiáng)煙氣脫硝技術(shù)應(yīng)用研究與實(shí)踐，不斷提高SCR技術(shù)在燃煤鍋爐煙氣脫硝中的應(yīng)用水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏宇，代偉偉. 選擇性催化還原（SCR）技術(shù)在電站鍋爐煙氣脫硝改造工程中的應(yīng)用[J]. 裝備機(jī)械，2011，01：31-36.

[2]譚青，馮雅晨. 我國煙氣脫硝行業(yè)現(xiàn)狀與前景及SCR脫硝催化劑的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展，2011，S1：709-713.

[3]王錚，薛建明，許月陽，等. 選擇性催化還原協(xié)同控制燃煤煙氣中汞排放效果影響因素研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，14：32-37+12.