火電站SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)分析

沈洪洪 任建興 劉崗，2 任貴州 劉育東

（1上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 200090 2國(guó)電銅陵發(fā)電有限公司 安徽銅陵 244153）

選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù) （簡(jiǎn)稱SCR技術(shù)）［1］于20世紀(jì)70年代率先在日本運(yùn)用。20世紀(jì)90年代，我國(guó)引進(jìn)的SCR脫硝技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、脫硝效率高、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著氮氧化物排放要求的日益增加，機(jī)組運(yùn)行的工況復(fù)雜變化，單一的SCR脫硝技術(shù)已經(jīng)完全不能滿足工業(yè)發(fā)展的要求。據(jù)發(fā)改能源［2014］2093號(hào)文件《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020）》［2］中明確指出：重點(diǎn)推進(jìn)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物達(dá)標(biāo)排放環(huán)保改造，燃煤發(fā)電機(jī)組必須安裝高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，未達(dá)標(biāo)排放的要加快實(shí)施環(huán)保設(shè)施改造升級(jí)，確保滿足最低技術(shù)出力以上全負(fù)荷、全時(shí)段穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放要求。SCR混合脫硝技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)當(dāng)前火電廠SCR混合脫硝技術(shù)進(jìn)行了概述，旨在為工業(yè)生產(chǎn)中氮氧化物的脫除方式選擇提供參考。

1 SCR脫硝技術(shù)

圖1 2007～2016年我國(guó)煤炭耗量與NOx排放量

1.1 SCR技術(shù)應(yīng)用于煙氣脫硝現(xiàn)狀

煙氣污染物的主要來(lái)源為燃料的燃燒，這些燃料包括煤、焦炭、重油、柴油、煤氣等。燃燒產(chǎn)生的NOx主要包括NO、NO2及少量氮的氧化物，NO排到大氣中很快被氧化成NO2，NO和NO2都是有毒氣體，其中，NO2的毒性更強(qiáng)，5倍于NO。NO2在日光作用下會(huì)產(chǎn)生新生態(tài)氧原子（NO2→NO+O），新生態(tài)氧原子在大氣中將會(huì)引起一系列連鎖反應(yīng)并于未燃盡的碳?xì)浠衔镆黄鹦纬晒饣瘜W(xué)煙霧，其毒性更強(qiáng)。因此，NOx等都能對(duì)人體健康及周圍環(huán)境產(chǎn)生危害［3］。目前，燃煤排放的約占全國(guó)排放量的90%［4］。2007～2016年我國(guó)煤炭耗量及NOx排放量的變化趨勢(shì)見圖1。

對(duì)于燃煤電廠的脫硝技術(shù)［5］，我國(guó)的研究尚處于初始階段，各環(huán)保企業(yè)大都在積極引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)火電廠SCR煙氣脫硝技術(shù)于20世紀(jì)90年代引進(jìn)日本技術(shù)在福建后石電廠的600MW機(jī)組率先建成。但國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的適應(yīng)我國(guó)燃煤電廠的新型脫硝技術(shù)還未誕生，因此相對(duì)于比較成熟的脫硫工藝，國(guó)家將在“十二五”與“十三五”期間投資數(shù)億元用于煙氣脫硝。截止2017年底，全國(guó)已有98.4%的燃煤機(jī)組安裝并投運(yùn)了脫硝裝置［6］。在電廠煙氣脫硝技術(shù)中，比較成熟且脫硝效率較高的為SCR法，其中采用SCR脫銷技術(shù)的機(jī)組約占80%以上［7］。

1.2 SCR技術(shù)脫硝機(jī)理及布置方式

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）是指煙氣中的NOx在催化劑的作用下，與還原劑（如NH3或尿素）發(fā)生反應(yīng)生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。主要的反應(yīng)方程式為：

目前，國(guó)內(nèi)電廠中使用較多的為高塵布置，其SCR高塵布置方式見圖2，燃煤煙氣經(jīng)省煤器出口流出，在催化反應(yīng)器進(jìn)口煙道與NH3混合；NH3來(lái)源于液氨儲(chǔ)罐，液氨被蒸汽減壓蒸發(fā)為氨蒸汽進(jìn)入氨緩沖槽，在混合器中通入空氣以稀釋純氨并增大系統(tǒng)含氧量，待氨蒸汽與空氣充分混合后，由噴射格柵將其噴入反應(yīng)器入口煙道，經(jīng)均流板均勻混合以后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。

圖2 SCR系統(tǒng)高塵布置方式

催化劑是SCR脫銷的核心，目前工業(yè)應(yīng)用的SCR脫硝催化劑主要是V2O5/TiO2、V2O5-WO3/TiO2等催化劑。這一類催化劑在250～350℃的反應(yīng)溫度條件下具有較高的脫硝效率。但是催化劑中毒和V2O5有劇毒等問(wèn)題也普遍受到人們的重視。姜燁等［8］提出燃煤煙氣中含有一定濃度的SO2，以及少量的SO3，SO3與逃逸的NH3及煙氣中的水蒸汽反應(yīng)生成NH4HSO4和（NH4）2SO4，不僅會(huì)造成催化劑的活性降低還會(huì)堵塞下游管道。國(guó)內(nèi)外學(xué)者選擇性催化還原催化劑進(jìn)行了不同層面的研究，對(duì)新催化劑的研究主要集中在以鐵基、銅基及其摻雜后的新型催化劑為代表。王芳等［9］發(fā)現(xiàn)γ-Fe2O3活化能較低，對(duì)NOx表現(xiàn)出較高的活性，250℃時(shí)其脫硝效率達(dá)到90%以上。Cssanova［10］采用沉淀法制備的 Fe-Er-V/TiO2-WO3-SiO2催化劑在中低溫段的SCR活性與Fe含量直接相關(guān)。徐麗婷等［11］發(fā)現(xiàn)Fe0.8Mg0.2O2催化劑在325℃時(shí)最大脫硝效率為9.1%。盧慧霞等［12］發(fā)現(xiàn)將菱鐵礦摻雜稀土元素Ce后，具有更大的比表面積，催化劑結(jié)晶有所改善，表面酸性也有所提高，脫硝效率明顯提高，Ce0.3-菱鐵礦催化劑在通入連續(xù)作用7h后，仍能保持80%以上的脫硝效率，及其抗硫性和持久性也得到改善。孫佳興等［13］在過(guò)渡金屬氧化物（MnOx-CeO2）改性銅基催化劑的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)催化劑的最優(yōu)配方為6%CuO-5%MnOx-10%CeO2/γ-Al2O3，其在200℃以下最高脫硝效率可達(dá)80%。催化劑是SCR煙氣脫硝技術(shù)的核心，發(fā)展無(wú)毒無(wú)害、持久性、抗硫性、適用于低溫的催化劑對(duì)降低SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用具有重要意義。

2 SNCR聯(lián)合SCR技術(shù)

選擇性非催化還原脫硝技術(shù) （SNCR）［14］是一種不用催化劑，在850～1100℃還原NOx的方法。該方法是把含有NHX基的還原劑噴入爐膛溫度為850～1100℃的區(qū)域后，迅速熱分解成NH3和其他副產(chǎn)物，隨后NH3與煙氣中的NOx進(jìn)行SNCR反應(yīng)生成N2。SNCR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但脫硝效率較低，一般在30%～50%［15］。這樣的脫硝效率一般不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。因此在實(shí)際工業(yè)中，SNCR通常與SCR聯(lián)用，脫硝效率一般可達(dá)95%以上。在我國(guó)已投運(yùn)的燃煤煙氣脫硝機(jī)組中，SNCR+SCR 也占有一定的比例［16］。胡琦［17］對(duì) 1臺(tái) 410t/h的燃煤鍋爐進(jìn)行SCR+SNCR聯(lián)合脫硝系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用，成功地將NOx排放進(jìn)一步控制在200mg/m3以下，氨逃逸不超過(guò)10ppm。該聯(lián)合工藝系統(tǒng)如圖3。

該工藝流程中，還原劑通過(guò)布置在鍋爐爐墻上的噴射系統(tǒng)霧化后噴入鍋爐爐膛，在高溫下與鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx發(fā)生非催化還原反應(yīng)，生成N2和H2O。實(shí)現(xiàn)初步脫氮；在鍋爐高溫下產(chǎn)生的逃逸氨與鍋爐煙氣混合，進(jìn)入下一個(gè)反應(yīng)區(qū)——SCR反應(yīng)器，在催化劑的作用下，氨氣和NOx進(jìn)行還原反應(yīng)，生成N2和H2O。過(guò)程中涉及的化學(xué)反應(yīng)如下：

氨（NH3）為還原劑時(shí)：

圖3 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝示意圖

尿素（（NH4）2CO）為還原劑時(shí)：

SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)可獲得與SCR工藝一樣甚至更高的脫硝率，且工程造價(jià)和運(yùn)行成本更低［18］。有效減少催化劑用量，且催化劑的壽命一般為3～5年，之后必須進(jìn)行再生或更換，聯(lián)合脫硝技術(shù)可明顯減少催化劑的回收處理量；不需要設(shè)置靜態(tài)混合器、噴氨格柵，也無(wú)需加長(zhǎng)煙道，催化劑用量減少也使反應(yīng)器體積減小。因此，SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)空間適應(yīng)性更強(qiáng)。由于減少了催化劑使用量，SO2/SO3轉(zhuǎn)化所引起的腐蝕和堵塞問(wèn)題明顯減小，前段SNCR設(shè)計(jì)無(wú)需考慮氨逃逸，有助于提高SNCR階段的脫硝效率。

3 總結(jié)

當(dāng)前火力機(jī)組脫硝系統(tǒng)中廣泛采用SCR脫硝技術(shù)，SNCR聯(lián)合SCR脫硝技術(shù)是當(dāng)今世界上公認(rèn)的成熟技術(shù)，在建設(shè)過(guò)程中可以分步建設(shè)，具有投資和運(yùn)行費(fèi)用省，安全高效，其中脫硝率可達(dá)80%以上的優(yōu)點(diǎn)，為解決我國(guó)如何進(jìn)一步降低空氣中氮氧化物排放量的難題提供了可行的方法。

SCR催化劑的回收與再生也引起了人們的廣泛關(guān)注，未來(lái)應(yīng)深入研究無(wú)污染低成本的SCR脫硝催化劑，充分發(fā)揮多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，探索適合我國(guó)發(fā)電企業(yè)的高效、節(jié)能、環(huán)保的脫硝裝置。