高溫低塵SCR脫硝的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景

左鵬

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

引言

我國(guó)目前國(guó)內(nèi)的燃煤火力發(fā)電機(jī)組正在開展超低排放改造，東部地區(qū)已基本完成改造，中西部地區(qū)正在進(jìn)行。超低排放改造要求燃煤火力發(fā)電機(jī)組大氣污染物中NOx排放濃度在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下不高于50mg/m3。這一政策將使我國(guó)的大氣污染物NOx排放量大幅減少，空氣質(zhì)量得到顯著改善，但同時(shí)對(duì)煙氣脫硝技術(shù)也提出了更高的要求。本文對(duì)高溫低塵SCR脫硝裝置在國(guó)內(nèi)外燃煤電廠、工業(yè)窯爐及燃?xì)鈾C(jī)組等的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，并對(duì)高溫低塵脫硝在火電廠的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 SCR脫硝簡(jiǎn)介

選擇性催化還原脫硝（Selective Catalytic Reduction，SCR）是目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。該工藝主要采用氨（NH3）作為還原劑，將NOx（NO、NO2）選擇性地還原為N2，具有無(wú)副產(chǎn)物、脫除效率高、運(yùn)行可靠及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)方程式如下。

根據(jù)催化劑的反應(yīng)活性溫度不同，可分為高溫SCR脫硝和低溫SCR脫硝。低溫SCR脫硝的反應(yīng)溫度一般在250℃以下。由于低溫催化劑反應(yīng)活性低，價(jià)格昂貴，目前尚未開展大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。高溫SCR脫硝的反應(yīng)溫度一般在300℃以上，釩鈦系催化劑由于具有較高的反應(yīng)活性、相對(duì)適中的價(jià)格及對(duì)煙氣成分的寬廣適應(yīng)性，在煤電行業(yè)煙氣脫硝中得到廣泛的應(yīng)用[1、2]。隨著環(huán)保排放指標(biāo)的嚴(yán)格，水泥、玻璃、化工等行業(yè)的煙氣脫硝也有采用釩鈦系催化劑的SCR工藝[3]。

目前，我國(guó)火電機(jī)組的高溫SCR煙氣脫硝裝置均布置在省煤器與空預(yù)器之間，位于電除塵器的上游，屬于高溫高塵布置（見圖1）。肖雨亭等研究表明，飛灰顆粒對(duì)SCR脫硝催化劑的磨損是導(dǎo)致催化劑使用壽命降低的主要因素之一[4]，傳統(tǒng)高溫高塵布置的SCR裝置處理的煙氣中夾帶有大量粉塵，對(duì)催化劑的磨損嚴(yán)重，活性成分流失較快，且粉塵中含有堿金屬（Na、K等）、堿土金屬元素（Ca、Mg等）、磷和砷等物質(zhì)，將會(huì)引起催化劑化學(xué)中毒，導(dǎo)致其失活[5]。SCR工作在高溫高塵環(huán)境下，加速了脫硝催化劑壽命的衰減，在燃煤電廠一般約3年即需要更換催化劑。

圖1 SCR脫硝裝置高溫高塵布置

美國(guó)、日本、德國(guó)有些火電機(jī)組的SCR采用高溫低塵（粉塵濃度＜100mg/m3）布置（見圖2），即將電除塵器放在省煤器的下游，SCR裝置布置在高溫電除塵器和空預(yù)器之間。運(yùn)行實(shí)踐表明，在煙氣中粉塵被脫除后，幾乎不存在催化劑的機(jī)械磨損，催化劑的孔徑可以更小，催化劑及SCR反應(yīng)器的體積明顯減少，且對(duì)催化劑化學(xué)活性的有害物質(zhì)濃度大大降低，催化劑的壽命也得到延長(zhǎng)。燃?xì)廨啓C(jī)由于煙氣中粉塵含量更低（粉塵濃度＜10mg/m3），其SCR裝置嵌入在尾部余熱鍋爐中，脫硝裝置屬于高溫低塵布置（見圖3）。

圖2 SCR脫硝裝置高溫低塵布置

圖3 SCR脫硝裝置在燃?xì)廨啓C(jī)組中的布置

2 燃煤電廠高溫低塵SCR脫硝

我國(guó)燃煤火力發(fā)電機(jī)組的SCR裝置均布置在省煤器與空預(yù)器之間，采用高溫高塵布置，目前尚未見采用高溫低塵布置的公開報(bào)道。

日本是世界上火電技術(shù)和火電機(jī)組煙氣凈化技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家之一，也是國(guó)際上最早研究在燃煤電廠高溫低塵區(qū)域布置SCR反應(yīng)器的國(guó)家。1973年日本發(fā)布NOx排放標(biāo)準(zhǔn)之后，燃煤電廠開始增設(shè)SCR裝置，受制于當(dāng)時(shí)催化劑的生產(chǎn)水平，在高溫高塵布置時(shí)，由于入口煙氣粉塵濃度高，對(duì)催化劑的磨損大。特別對(duì)于含高硅高鋁粉塵的煙氣，磨蝕性強(qiáng)，催化劑的使用壽命不長(zhǎng)（1年內(nèi)）；運(yùn)行中易出現(xiàn)堵塞，煙氣側(cè)阻力大，造成機(jī)組出力不足。因此，一些電廠嘗試采用高溫靜電除塵器，先進(jìn)行收塵后脫硝，使SCR催化劑在較潔凈的煙氣環(huán)境下工作。運(yùn)行結(jié)果表明，高溫低塵脫硝降低了催化劑的磨損，延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命，降低了煙氣側(cè)運(yùn)行阻力，保障了機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

Tomato-Atsuma電廠#1機(jī)組（350MW）建于1980年，是日本最先采用高溫電除塵器配套SCR脫硝裝置的機(jī)組，反應(yīng)器安裝了兩層鈦基板式催化劑，催化劑層未安裝吹灰器。高溫電除塵器將煙塵濃度從23g/m3降低至45mg/m3，脫硝引風(fēng)機(jī)抽取約25%的低塵煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器脫硝后，再將凈煙氣混入未脫硝的煙氣中。在2年的運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)催化劑及空預(yù)器的堵塞，脫硝效率也未下降。催化劑的設(shè)計(jì)壽命為1年，然而實(shí)際運(yùn)行2年后仍有80%以上的脫硝效率，大大超出當(dāng)時(shí)的預(yù)期。該電廠SCR脫硝裝置設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 Tomato-Atsuma #1機(jī)組SCR設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)

在高溫除塵器配套SCR脫硝裝置成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，日本在600MW及以上的機(jī)組也采用了高溫低塵脫硝工藝，如松浦火電廠和竹原火電廠。

松浦火電廠位于日本九州西北部長(zhǎng)崎縣，總裝機(jī)容量為2×1000MW，同步安裝了高溫靜電除塵器和SCR煙氣脫硝[6]。高溫靜電除塵器設(shè)計(jì)出口粉塵排放濃度＜70mg/m3，實(shí)際運(yùn)行值均在10mg/m3內(nèi)，為SCR的運(yùn)行提供了極佳的條件。同時(shí)松浦電廠的兩臺(tái)機(jī)組均采用低氮燃燒技術(shù)，有效減少了進(jìn)入脫硝系統(tǒng)的NOx濃度。SCR催化劑采用板式催化劑，還原劑氨在高溫電除塵器與SCR裝置之間的煙道注入。SCR裝置進(jìn)口NOx含量200ppm（最大250ppm），出口NOx含量＜50ppm，滿足當(dāng)時(shí)的排放要求。

日本竹原火電廠#3機(jī)組容量為700MW，SCR裝置同樣采用高溫低塵布置，采用板式催化劑，入口NOx濃度為500mg/m3，出口NOx的排放濃度＜96mg/m3，氨的逃逸量＜2ppm，催化劑的使用壽命＞3年，而最初估計(jì)催化劑使用期不會(huì)超過(guò)1年。

在美國(guó)，燃煤電廠采用高溫低塵脫硝布置的機(jī)組占有相當(dāng)比例，其關(guān)鍵設(shè)備高溫電除塵器進(jìn)入歷史的舞臺(tái)情況與日本不盡相同[7]。日本燃煤電廠采用高溫電除塵器主要以延長(zhǎng)SCR催化劑壽命為主，而美國(guó)燃煤電廠高溫電除塵器初始是以提高收塵效率為主。在20世紀(jì)70年代，美國(guó)提高了燃煤機(jī)組煙氣中SO2排放指標(biāo)，部分電廠為降低運(yùn)行費(fèi)用，通過(guò)改燒低硫煤而不上煙氣脫硫裝置（FGD）來(lái)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。由于低硫煤粉塵比電阻較高，采用常規(guī)低溫（＜200℃）靜電除塵器粉塵排放濃度達(dá)不到要求。研究表明，提高煙氣溫度可以大大降低粉塵的比電阻，提高收塵效率。因此，當(dāng)時(shí)很多新建電廠將靜電除塵器前移，布置在省煤器與空預(yù)器之間。隨著美國(guó)對(duì)NOx的排放指標(biāo)進(jìn)一步嚴(yán)格，需要加裝SCR煙氣脫硝裝置，這些電廠就將SCR脫硝裝置布置在高溫靜電除塵器與空預(yù)器之間。

位于美國(guó)北卡羅萊納州的Roxboro電廠共計(jì)4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為2500MW，陸續(xù)建于1966～1980年。機(jī)組建設(shè)時(shí)均沒(méi)有安裝SCR裝置，F(xiàn)oster Wheeler在2001年先對(duì)#4機(jī)組（容量700MW）進(jìn)行脫硝改造，SCR裝置布置在高溫靜電除塵器與空預(yù)器之間，SCR采用高溫低塵布置[8]。2003年，F(xiàn)oster Wheeler完成對(duì)#3機(jī)組（容量745MW）SCR脫硝改造，布置在省煤器與空預(yù)器之間，除塵器位于空預(yù)器之后，SCR采用高溫高塵布置。兩臺(tái)機(jī)組均設(shè)置了兩個(gè)SCR反應(yīng)器，煙氣自上向下垂直流經(jīng)反應(yīng)器，在SCR反應(yīng)器的前端煙道內(nèi)布置噴氨格柵。催化劑均采用“2+1”布置，初裝兩層，預(yù)留一層；其中#4機(jī)組采用板式催化劑，#3機(jī)組采用蜂窩催化劑。

Roxboro電廠#4機(jī)組SCR的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2[8、9]。進(jìn)入SCR裝置的粉塵濃度設(shè)計(jì)值在50～100mg/m3，粉塵的平均粒徑在5～7μm，考慮到細(xì)微粉塵的黏附性，催化劑設(shè)置了聲波吹灰器。運(yùn)行結(jié)果表明，脫硝效率大于79%，滿足設(shè)計(jì)要求，投運(yùn)初期氨逃逸分別為0.4ppm（滿負(fù)荷工況）和0.1ppm（18%負(fù)荷工況），SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率在兩個(gè)反應(yīng)器分別為0.62%和0.84%，運(yùn)行阻力在0.8～1 in.WC（＜249Pa），且催化劑無(wú)積灰現(xiàn)象（見圖4）。

Roxboro電廠#3機(jī)組自投運(yùn)后，由于流場(chǎng)嚴(yán)重不均勻，在省煤器出口裝設(shè)的防止大顆粒粉塵進(jìn)入SCR反應(yīng)器的鋼絲網(wǎng)也很快被磨穿，催化劑表面積灰量大，磨損嚴(yán)重（見圖5），導(dǎo)致SCR阻力高，脫硝效率下降，氨逃逸量增加。2009年，委托Airflow Sciences Corporation進(jìn)行流場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)進(jìn)一步改造，優(yōu)化了流場(chǎng)，積灰現(xiàn)象有所減緩，但未能完全消除（見圖6）。由此可看出，低塵脫硝的運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)于高塵脫硝。

表2 Roxboro電廠#4機(jī)組SCR設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4 #4機(jī)組SCR運(yùn)行情況

圖5 #3機(jī)組改造前SCR積灰情況

圖6 #3機(jī)組改造后SCR積灰情況

3 玻璃窯爐高溫低塵脫硝

玻璃熔爐火焰溫度高達(dá)1650℃～2000℃，煙氣中的NOx以熱力型為主。以天然氣為燃料的窯爐排放NOx含量通常在1800～2600mg/m3，要滿足《平板玻璃工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 26453—2011》[10]中NOx＜700mg/m3的指標(biāo)，需要加裝SCR脫硝裝置。

玻璃窯爐煙氣的含塵量較低（＜0.3g/m3），然而配方中的重堿用量較大，煙塵含有較多的堿金屬氧化物（見表3），且粉塵的粒徑很細(xì)（見表4），對(duì)催化劑的毒害較大，因此，必須先高溫除塵再進(jìn)行SCR脫硝[11]。

表3 浮法煙塵灰成分質(zhì)量百分比[13]

表4 浮法粉塵粒徑[13]

賈世昌等報(bào)道了SCR煙氣脫硝在某玻璃公司天然氣浮法玻璃窯爐上的應(yīng)用[11]。該廠兩條平板玻璃生產(chǎn)線（能力為600t/d和900t/d）的玻璃窯爐采用高溫電除塵器和SCR脫硝裝置。前端高溫電除塵器將粉塵濃度從180mg/m3降低到50mg/m3以內(nèi)，SCR脫硝裝置處理煙氣量分別為97 500m3/h和125 000m3/h，入口NOx濃度2200mg/m3，投運(yùn)后NOx排放指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求（＜700mg/m3）。

4 燃?xì)鈾C(jī)組高溫?zé)o塵脫硝

燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的NOx主要由空氣中的氮在高溫氣氛下氧化生成，屬于熱力型NOx，不同于以燃料型為主的燃煤機(jī)組生成的NOx。熱力型NOx在溫度低于1650℃時(shí)的生成量很小，因此，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組最普遍的控制NOx排放方法是低NOx燃燒器。隨著環(huán)保指標(biāo)的提高，如北京市的地方標(biāo)準(zhǔn)《固定式燃?xì)廨啓C(jī)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 11/847—2011）規(guī)定：NOx的最高允許排放濃度為30mg/m3，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組加SCR脫硝成為強(qiáng)制性的要求。

對(duì)于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組而言，SCR反應(yīng)器布置在與催化劑運(yùn)行溫度相匹配的尾部水平煙道內(nèi)。燃?xì)鈾C(jī)組煙氣的飛灰含量低，且尾部煙道變向少，煙氣流場(chǎng)均勻，因此其脫硝效率要高于燃煤機(jī)組。對(duì)于燃?xì)鈾C(jī)組的催化劑來(lái)說(shuō)，不需要考慮積灰和磨損問(wèn)題，通常采用節(jié)距和壁厚更小的蜂窩式催化劑。孔徑越大的催化劑比表面積越小，需要的體積量更多，但運(yùn)行壓降低；孔徑越小比表面積越大，需要的體積量小，但運(yùn)行阻力較大。在燃?xì)忭?xiàng)目中，煙氣中不含SO2和SO3成分，不需考慮NH4HSO4（ABS）沉積的問(wèn)題，因此其允許的運(yùn)行溫度可低至200℃[12]。

北京西北熱電中心京能燃?xì)鉄犭姽こ逃?臺(tái)SGT5-4000F（4+）燃機(jī)組成，為1套“二拖一”和1套“一拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，燃料為天然氣，2014年下半年投運(yùn)。SCR入口煙氣成分見表5，催化劑層數(shù)采取“1＋1”模式布置，初裝1層預(yù)留1層，采用托普索有限公司的DNX-GT蜂窩式催化劑，NOx脫除效率不低于85%。SCR脫硝催化劑布置在余熱鍋爐的水平煙道上，煙氣水平流動(dòng)，催化劑水平布置，未設(shè)置清灰器。單臺(tái)機(jī)組催化劑體積為50.16m3，催化劑的化學(xué)壽命及機(jī)械壽命分別大于3萬(wàn)h和5萬(wàn)h。

表5 SCR入口煙氣參數(shù)

5 高溫低塵脫硝及展望

高溫低塵脫硝工藝在燃煤電廠的研發(fā)和應(yīng)用都有較長(zhǎng)的歷史，但在燃煤電廠的煙氣凈化工藝中并未成為主流，主要原因：1）高溫電除塵器的除塵性能受煤質(zhì)或灰分性質(zhì)影響較大，排放不穩(wěn)定。由于燃煤電廠的煙氣量較大，高溫除塵工藝大都選用高溫靜電除塵器，靜電除塵器的效率受制于粉塵的比電阻，與燃煤煤質(zhì)關(guān)系很大，煤種波動(dòng)時(shí)，高溫靜電除塵器出口的排放會(huì)隨之波動(dòng)。2）高溫電除塵器的投資較高。高溫靜電除塵器處理的工況煙氣量較常規(guī)除塵器的工況煙氣量大很多，如對(duì)于處理相同標(biāo)況煙氣量的除塵器，350℃的工況煙氣量是150℃的1.47倍，意味著在同樣的煙氣流速下，高溫電除塵器的占地面積和鋼材耗量要遠(yuǎn)大于常規(guī)電除塵器，且高溫下除塵器的材質(zhì)要求也相對(duì)提高，因此其投資較常規(guī)的電除塵器高。3）SCR脫硝催化劑技術(shù)的進(jìn)步，催化劑的性能有了大幅度改善，其壽命得到延長(zhǎng)，燃煤電廠一般約3年更換一次。

綜合高溫低（無(wú)）塵脫硝在燃煤電廠、燃?xì)廨啓C(jī)及玻璃熔窯的應(yīng)用，充分表明高溫低（無(wú)）塵脫硝對(duì)于延長(zhǎng)催化劑的使用壽命、減少催化劑及反應(yīng)器的體積、降低煙氣系統(tǒng)的阻力都有積極的意義。特別隨著目前國(guó)內(nèi)火電行業(yè)超潔凈改造的進(jìn)行，污染物的排放指標(biāo)趨于嚴(yán)格，NOx、粉塵的排放限值分別為50mg/m3和10mg/m3，現(xiàn)有的先脫硝后除塵工藝暴露出諸多弊端。

針對(duì)NOx的超低改造，國(guó)內(nèi)大都是通過(guò)增加備用層催化劑來(lái)實(shí)現(xiàn)超低排放，這種改造工藝帶來(lái)了諸多不利影響：1）增加備用層催化劑后，煙氣側(cè)運(yùn)行阻力增加，引風(fēng)機(jī)的電流值上升，導(dǎo)致企業(yè)用電率提高；2）備用層催化劑投運(yùn)后，增加了SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率，特別在燃用高硫煤的機(jī)組，生成了大量ABS，導(dǎo)致下游空氣預(yù)熱器及除塵器ABS堵塞問(wèn)題嚴(yán)重，降低了機(jī)組的出力，嚴(yán)重時(shí)甚至不得不定期停機(jī)沖洗，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失；3）由于國(guó)內(nèi)電廠的煤質(zhì)來(lái)源復(fù)雜，催化劑的運(yùn)行條件，特別是入口煙氣粉塵濃度較設(shè)計(jì)值有較大偏差，導(dǎo)致催化劑的壽命遠(yuǎn)低于預(yù)期；4）使國(guó)內(nèi)廢棄催化劑的數(shù)量大大增加，增加了電廠危險(xiǎn)廢物的處置費(fèi)用。

6 結(jié)語(yǔ)

開發(fā)新型高效穩(wěn)定的高溫除塵設(shè)備置于SCR脫硝的上游，達(dá)到粉塵和NOx的超低排放，將為國(guó)內(nèi)燃煤機(jī)組的超低排放改造提供一種新的選擇。以電袋復(fù)合除塵器為核心的高溫低塵脫硝工藝，在省煤器與空預(yù)器之間布置高溫超凈電袋復(fù)合除塵器和SCR反應(yīng)器，使進(jìn)入SCR反應(yīng)器煙氣的粉塵濃度降低到10mg/m3以內(nèi)，使催化劑工作于無(wú)塵環(huán)境中，從而延長(zhǎng)催化劑的壽命，避免空預(yù)器的堵塞。超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)與靜電除塵器相比，具有粉塵排放濃度低，排放性能穩(wěn)定，不受入爐煤種的波動(dòng)影響，在國(guó)內(nèi)300MW、600MW、1000MW等級(jí)的機(jī)組上均有廣泛的應(yīng)用。解決了困擾高溫電袋復(fù)合除塵器發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題（如高溫濾料的選擇、氣流的分布等），并在中試中取得良好的排放效果。高溫電袋復(fù)合除塵技術(shù)為高溫低塵脫硝的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為燃煤電廠超低排放提供了一種更加高效、穩(wěn)定的技術(shù)路線。