燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝技術

李廣正 姜茹

中國核電工程有限公司河北分公司

燃煤鍋爐SCR煙氣脫硝技術

李廣正 姜茹

中國核電工程有限公司河北分公司

SCR技術是目前國際上最成熟、應用最廣泛的脫硝技術，本文介紹了SCR脫硝技術的基本原理，分析了SCR法脫除N0X效率的影響因素，對加裝SCR提出了幾點建議。

SCR；煙氣脫硝；NOX

前言

隨著我國經濟的不斷發展，能源消費越來越多,隨之帶來的環境污染也越來越嚴重。煤炭在我國能源消費中占主導地位，燃煤排放的二氧化硫、氮氧化物是造成大氣污染、酸雨的環境污染的主要來源。現階段，煙氣脫硫項目已經大規模實施，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程中NOX的生成，有空氣分級燃燒、燃料再燃燒、煙氣再循環和低N0x燃燒器等，該類方法具有建設周期短，投資少等優點，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，易造成環境污染，運行溫度在800~1 000℃，現有中小型鍋爐可通過改造實現，投資費用低；SCR法反應需要催化劑配合，效率最高可達95%，氨氣的逃逸率小，運行溫度在400℃左右，適用于各種機組，但投資較大。SCR法技術成熟可靠，脫硝性能穩定，脫硝效率高，液氨消耗少、目前在世界上被廣泛采用。

1 SCR脫硝技術的基本原理

SCR的化學反應機理比較復雜，主要的反應是NH3噴入系統中，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溫度為l50℃～450℃之間，其反應可表示如下：

反應式中以第一個反應為主，由于煙氣中幾乎95% 的NOX是以NO的形式存在，如果沒有催化劑，反應進行的溫度范圍很窄(980℃左右)。經過催化劑的合適選擇，可以降低反應溫度，使反應溫度適合燃煤鍋爐實際使用的290℃～430℃范圍。

當改變反應條件時，以下副反應還可能發生：

NH3氧化為NO的反應和NH3分解的反應都在350℃以上才發生，反應劇烈需要溫度到達450℃以上。在通常的選擇性催化還原反應中，反應溫度一般控制在300℃以下，這時只有NH3氧化為N2的副反應發生。

但是在某些特定條件下，在SCR系統里也會有如下的不利反應發生：

反應中形成的 (NH4)2SO4和NH4HSO4很容易對空氣預熱器進行玷污,對空氣預熱器的影響很大。

2 SCR法脫除NOX效率的影響因素

在選擇性催化還原系統設計中，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，因此需要設計合理的流速以保證NH3與NOX充分混合，以使反應進行完全。

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

(3)煙氣溫度。催化反應最適合在特定的催化反應溫度下進行，因而反應的進程受煙氣溫度的直接影響。

(4)氨逃逸。根據反應的基本原理可知，NH3量不足，會導致NOX脫除不完全，NH3過量，會造成環境的二次污染，因此NH3需要一個合適的量，通常是多余理論量的氨被噴射進入系統，最佳值在某一個氨逃逸量后達到。

(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的脫硝效率，不利于SCR系統的正常運行，需要有效控制。

3 催化劑

選擇優良的催化劑是SCR技術的關鍵，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。應用最多的金屬氧化物催化劑是以V2O5為活性成分的。V2O5可負載于Al2O3、SiO3、TiO2等氧化物上，現在使用的V2O5催化劑大部分是負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，催化劑表面呈酸性，容易將堿性的氨捕捉到催化劑表面進行反應，并且其特定的氧化優勢利于將氨和NOX轉化為氮氣和水。SCR催化劑的形狀最早是粒狀的，現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、低粉塵和尾部設置三種布置方式。

采用高粉塵布置時，SCR反應器布置在省煤器和空氣預熱器之間，優點是煙氣溫度高，進入反應器煙氣的溫度達300℃～500℃，滿足了催化劑反應要求，多數催化劑在此溫度范圍內有足夠的活性，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。其缺點是煙氣中飛灰含量高，對催化劑防磨損、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，SCR布置在除塵器之后，脫硝設備與鍋爐相對獨立，對鍋爐設計無特殊要求。這種布置方式的特點是飛灰不會對催化劑造成影響，但除塵器需要在較高溫度下工作，有產生問題的可能。

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

在使用的實際裝置中，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題，因此在脫銷工業中，SCR反應器大多數都采用高粉塵布置方式(第一種布置方式)，這樣煙氣溫度高，不需設置煙氣再熱系統，整個系統的熱效率不用降低。

5 加裝SCR的幾點建議

(1)加強后部煙道和除塵器的強度。鍋爐增設SCR后，煙道阻力隨之增加，一般增加l000Pa～1500Pa，所以引風機的壓力需要增加，從而會造成后部煙道及除塵器等負壓的增加，這些部位的強度應該加強。

(2)預防空預器積灰和腐蝕。NH3與SO3發生化學反應生成 (NH4)2SO4和NH4HSO4，這些具有黏性，很容易對空氣預熱器進行玷污,對空氣預熱器的影響很大。因此空氣預熱器設計時應考慮內部構造并選擇合理的材料，可以采用蒸汽吹灰系統或者高壓水沖灰系統進行解決。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反應器內煙氣流速只有大約(4～6)m／s，肯定會造成一定的積灰。因此，在保留省煤器灰斗的基礎上，應考慮在SCR后布置灰斗。這樣對安全穩定運行有利。

(3)旁路的設置。當鍋爐運行周期較長，需要設置SCR旁路(從SCR入口到SCR出口)，以便對SCR裝置在線檢修。設置SCR旁路時，需要設置旁路擋板密封門。需要增加設備、投資增加，并產生旁路擋板密封和積灰問題。是否設置SCR旁路需要綜合評估，主要依據鍋爐冷起動的次數決定，若每年5～8次，則旁路無須設置，否則旁路推薦設置。

(4)選擇合適的催化劑。選擇合適的催化劑是SCR技術的關鍵，催化劑的性能直接影響反應的進行，因此需要選擇合適的催化劑，以便反應按預設的反應方向進行，達到理想的脫硝效果。

6 小結

目前，我國控制煙氣中氮氧化物排放的標準更加嚴格，治理排放力度不斷加大。因此將會有更多的燃煤鍋爐上馬脫銷工程。現階段技術最成熟、采用最廣泛的是SCR煙氣脫硝技術。低NOX燃燒技術與SCR煙氣脫硝技術相結合，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。通過煙氣脫硝工程的實施，NOX的排放必將得到有效控制，即可減少因酸雨造成的損失，又可改善環境空氣質量，達到大家滿意的效果。

[1]楊冬，徐鴻，劉學亭.燃煤電廠SCR煙氣脫硝技術綜述. 中國電力教育,2006

[2]石磊.燃煤鍋爐SCR法煙氣脫硝技術.鍋爐技術 ,2009

[3]吳金泉.淺談SCR煙氣脫硝工藝特點.海峽科學,2011

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.005