燃煤電廠SCR 煙氣脫硝效率影響因素研究

梁宇寧，黃紀(jì)榮，李國(guó)峰，趙樹(shù)青，仲 超

（1.晉控電力山西長(zhǎng)治發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046021；2.山東創(chuàng)宇環(huán)保科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

我國(guó)的煤炭資源儲(chǔ)量十分豐富，并且煤炭的消耗量占我國(guó)能源消費(fèi)的比例很高，其中大部分的電力資源和供熱所需的能源都來(lái)自于煤炭[1-5]，而煤炭燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，主要包括粉塵顆粒物、氮氧化物、硫氧化物以及CO 等。其中氮氧化物對(duì)大氣及生態(tài)環(huán)境的影響較為嚴(yán)重，氮氧化物的排放不僅會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)以及酸雨等自然災(zāi)害，人體吸入后還會(huì)對(duì)生命健康造成嚴(yán)重的威脅。因此，研究如何降低燃煤電廠氮氧化物的排放量具有十分重要的意義。

作為燃煤電廠煙氣脫硝過(guò)程中最常用的技術(shù)，SCR 煙氣脫硝技術(shù)從20 世紀(jì)60 年代就開(kāi)始被提及，如今已在世界各國(guó)得到了較為廣泛的推廣及應(yīng)用。SCR 煙氣脫硝技術(shù)主要是通過(guò)選擇性催化劑（SCR 催化劑）將煙氣中的氮氧化物還原成N2和H2O，從而達(dá)到有效去除氮氧化物的目的[6-10]，其通常具有脫硝效率高、選擇性強(qiáng)以及技術(shù)較為成熟的優(yōu)點(diǎn)。SCR 催化劑是SCR 煙氣脫硝技術(shù)的關(guān)鍵，其性能的好壞對(duì)SCR 煙氣脫硝效果的影響至關(guān)重要，除此之外，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的反應(yīng)溫度、氨氮比例、空速、氧氣濃度以及含水量等因素對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響也較大，選擇合適的工藝參數(shù)能夠大幅度提高SCR 煙氣脫硝效率，并降低處理成本[11-15]。因此，本文以西部某燃煤電廠SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)為研究對(duì)象，以脫硝效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用煙氣脫硝反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置研究了催化劑類(lèi)型等因素對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，為提高燃煤電廠SCR 煙氣脫硝效率提供一定的參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要材料及儀器

鐵基金屬氧化物催化劑F-1、錳基金屬氧化物催化劑M-2、鈰基金屬氧化物催化劑C-3、釩基金屬氧化物催化劑V-4，均為市售產(chǎn)品；銅基分子篩催化劑Cu-ZSM、鐵基分子篩催化劑Fe-ZSM，均為自制產(chǎn)品；蒸餾水（實(shí)驗(yàn)室自制）；高純N2（99.999%）、O2（99.999%）、NO（99.9%）、NH3（99.9%），湖南遠(yuǎn)創(chuàng)氣體有限公司。

煙氣脫硝反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置（主要包括進(jìn)氣系統(tǒng)、減壓閥、氣體流量計(jì)、反應(yīng)器、加熱爐、混合罐、穩(wěn)壓罐以及煙氣檢測(cè)裝置等，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并委托廠家加工）；KY-FA1004 型電子分析天平（河南秋佐儀器設(shè)備有限公司）。

1.2 SCR 煙氣脫硝實(shí)驗(yàn)方法

以脫硝效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察不同影響因素（催化劑類(lèi)型、反應(yīng)溫度、氨氮比、氧氣濃度、含水量以及空速）對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，具體實(shí)驗(yàn)方法為：（1）將SCR 催化劑裝入實(shí)驗(yàn)裝置的反應(yīng)器中，關(guān)閉加熱爐，擰緊螺絲；（2）通入N2充壓，關(guān)閉系統(tǒng)中的閥門(mén)，檢測(cè)氣密性；（3）開(kāi)機(jī)預(yù)熱10min，待系統(tǒng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，再使用N2對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)吹掃一遍；（4）使用NO 和O2混合模擬燃煤電廠煙氣，待流量穩(wěn)定后，再按照比例通入一定量的NH3，使用N2作為平衡氣體，混合均勻后即得到實(shí)驗(yàn)用模擬氣體；（5）在一定的空速和溫度條件下將模擬煙氣和一定量的水蒸氣通入反應(yīng)器中與SCR 催化劑接觸反應(yīng)，測(cè)定出氣口煙氣中NO 的含量變化情況，并按公式（1）計(jì)算脫硝效率Ф。

式中 C0：模擬煙氣中NO 的初始含量，mg·L-1；C1：催化反應(yīng)后出口煙氣中NO 的含量，mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑類(lèi)型的影響

在反應(yīng)溫度為300℃、氨氮比為1.0、O2濃度為5%、含水量為0%、空速為30000h-1的條件下，考察不同催化劑類(lèi)型對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 催化劑類(lèi)型對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響Fig.1 Effect of catalyst type on SCR flue gas denitration efficiency

由圖1 可見(jiàn)，在其他實(shí)驗(yàn)條件均相同的情況下，不同類(lèi)型催化劑對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響較大，其中銅基分子篩催化劑Cu-ZSM 的脫硝效率最大，可以達(dá)到86.7%，明顯優(yōu)于其他類(lèi)型的催化劑。因此，選擇Cu-ZSM 作為目標(biāo)燃煤電廠SCR 煙氣脫硝用催化劑，來(lái)評(píng)價(jià)其他因素對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響。

2.2 反應(yīng)溫度的影響

在催化劑類(lèi)型為Cu-ZSM、氨氮比為1.0、O2濃度為5%、含水量為0%、空速為30000h-1的條件下，考察不同反應(yīng)溫度對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響Fig.2 Effect of reaction temperature on SCR flue gas denitration efficiency

由圖2 可見(jiàn)，在180～420℃范圍內(nèi)，隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，SCR 煙氣脫硝效率呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)。當(dāng)反應(yīng)溫度為320℃時(shí)，SCR 煙氣脫硝效率達(dá)到最大，為88.4%，再繼續(xù)升高反應(yīng)溫度，脫硝效率反而有所減小。分析原因是由于反應(yīng)溫度過(guò)高會(huì)影響SCR 催化劑的活性，并且溫度過(guò)高還可能導(dǎo)致模擬煙氣中的各組分之間發(fā)生副反應(yīng)，對(duì)催化劑的使用效果產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而導(dǎo)致脫硝效率有所降低。因此，為了最大限度的提高煙氣的脫硝效率并節(jié)約能耗，推薦反應(yīng)溫度為320℃。

另外，由圖2 結(jié)果還可以看出，在180℃低溫狀態(tài)的煙氣脫硝效率就能達(dá)到70%以上，也能夠說(shuō)明銅基分子篩催化劑Cu-ZSM 具有良好的低溫催化效果，拓寬了其使用范圍。

2.3 氨氮比的影響

在催化劑類(lèi)型為Cu-ZSM、反應(yīng)溫度為320℃、O2濃度為5%、含水量為0%、空速為30000h-1的條件下，考察不同氨氮比對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 氨氮比對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響Fig.3 Effect of ammonia nitrogen ratio on SCR flue gas denitration efficiency

由圖3 可見(jiàn)，隨著氨氮比的不斷增大，SCR 煙氣脫硝效率呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)氨氮比達(dá)到1.0時(shí)，再繼續(xù)增大氨氮比，SCR 煙氣脫硝效率基本不再變化。分析原因是由于NH3與NO 之間發(fā)生的是一級(jí)反應(yīng)，當(dāng)氨氮比較低時(shí)，通過(guò)增大NH3的濃度，能夠提高NH3在SCR 催化劑活性點(diǎn)位上的吸附量，從而使脫硝反應(yīng)速率有所加快，提高了脫硝效率；而當(dāng)氨氮比例超過(guò)1.0 時(shí)，過(guò)量的NH3會(huì)打破其在SCR催化劑活性點(diǎn)位上的吸附平衡，導(dǎo)致一部分NH3的脫附，從而不會(huì)使脫硝效率繼續(xù)顯著提升。因此，綜合考慮脫硝效率與其他因素的影響，推薦最佳的氨氮比為1.0。

2.4 O2 濃度的影響

在催化劑類(lèi)型為Cu-ZSM、反應(yīng)溫度為320℃、氨氮比為1.0、含水量為0%、空速為30000h-1的條件下，考察不同氧氣濃度對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 氧氣濃度對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響Fig.4 Effect of oxygen concentration on SCR flue gas denitration efficiency

由圖4 可見(jiàn)，O2濃度對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響較大，當(dāng)不含O2時(shí)，SCR 煙氣脫硝效率較低，僅為38.7%，而隨著氧氣濃度的不斷增大，SCR 煙氣脫硝效率則呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)。當(dāng)O2濃度達(dá)到5%時(shí)，SCR 煙氣脫硝效率可以達(dá)到最大，再繼續(xù)增大O2的濃度，SCR 煙氣脫硝效率反而有所減小。分析原因是由于當(dāng)O2含量較低時(shí)，隨著O2濃度的逐漸增大，脫硝反應(yīng)速率逐漸增大，有助于提升SCR煙氣脫硝的效率；而當(dāng)O2濃度過(guò)大時(shí)，有可能會(huì)引起不利于脫硝反應(yīng)的副反應(yīng)發(fā)生，從而影響SCR 煙氣脫硝效率。因此，為使SCR 煙氣脫硝效率最大化，推薦最佳O2濃度為5%。

2.5 含水量的影響

在催化劑類(lèi)型為Cu-ZSM、反應(yīng)溫度為320℃，氨氮比為1.0、O2濃度為5%、空速為30000h-1的條件下，考察不同含水量對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 含水量對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響Fig.5 Effect of water content on SCR flue gas denitration efficiency

由圖5 可見(jiàn)，隨著含水量的不斷增大，SCR 煙氣脫硝效率呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)含水量由0%增大至1%時(shí)，SCR 煙氣脫硝效率可由88.4%減小至80.3%，脫硝效率降低了8.1%，降低幅度較大，可見(jiàn)含水對(duì)SCR 煙氣脫硝的影響比較大。當(dāng)含水量增大至10%時(shí)，SCR 煙氣脫硝效率僅為72.6%。分析原因是由于當(dāng)煙氣中不含水時(shí)，NH3會(huì)比較容易吸附在SCR 催化劑的表面，轉(zhuǎn)變?yōu)槲綉B(tài)，使NH3與NO 之間的反應(yīng)能夠順利進(jìn)行；而當(dāng)煙氣中含水時(shí)，水分子會(huì)占據(jù)一部分SCR 催化劑的活性位點(diǎn)，從而與NH3產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附的作用，造成NH3吸附量減少，從而影響脫硝反應(yīng)的進(jìn)行，降低脫硝效率。因此，為最大程度的提高SCR 煙氣脫硝效率，應(yīng)盡可能的降低含水量。

2.6 空速的影響

在催化劑類(lèi)型為Cu-ZSM、反應(yīng)溫度為320℃，氨氮比為1.0、O2濃度為5%、含水量為0%的條件下，考察不同空速對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 空速對(duì)SCR 煙氣脫硝效率的影響Fig.6 Effect of space velocity on SCR flue gas denitration efficiency

由圖6 可見(jiàn)，隨著空速的不斷增大，SCR 煙氣脫硝效率逐漸減小。當(dāng)空速由10000h-1增大至30000h-1時(shí)，SCR 煙氣脫硝效率由89.3%減小至88.4%，降低幅度并不大。而當(dāng)空速繼續(xù)增大至70000h-1時(shí)，SCR煙氣脫硝效率則大幅減小至64.8%，降低幅度較大。這是由于當(dāng)空速較小，煙氣與催化劑之間的接觸時(shí)間較長(zhǎng)，使脫硝反應(yīng)進(jìn)行的更加徹底，脫硝效率較高；而當(dāng)空速較大時(shí)，煙氣與催化劑之間的接觸時(shí)間較短，使脫硝反應(yīng)不能充分進(jìn)行，導(dǎo)致脫硝效率下降。但空速過(guò)小時(shí)，又會(huì)使催化劑的使用量有所增多，進(jìn)而增加處理成本。因此，綜合考慮脫硝處理效果和經(jīng)濟(jì)成本等因素，推薦最佳空速為30000h-1。

3 結(jié)論

（1）在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，銅基分子篩催化劑Cu-ZSM 對(duì)目標(biāo)模擬煙氣的SCR 脫硝效率最大；隨著反應(yīng)溫度和O2濃度的逐漸增大，SCR 煙氣脫硝效率均呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)；隨著氨氮比的逐漸增大，SCR 煙氣脫硝效率逐漸增大；而隨著含水量和空速的不斷增大，SCR 煙氣脫硝效率逐漸減小。

（2）目標(biāo)燃煤電廠SCR 煙氣脫硝反應(yīng)的最佳工藝參數(shù)為：選擇Cu-ZSM 為催化劑，反應(yīng)溫度為320℃，氨氮比為1.0，O2濃度為5%，含水量為0%，空速為30000h-1。此時(shí)的SCR 煙氣脫硝效率可以達(dá)到88.4%，能夠滿(mǎn)足燃煤電廠煙氣脫硝的需求。