SCR脫硝效率的主要影響因素分析

摘 要：氮氧化物造成的大氣污染日益嚴重，目前燃煤電廠普遍采用SCR技術進行脫硝。文章著重介紹了SCR煙氣脫硝效率的影響因素，其主要影響因素為：催化劑、反應溫度、空間速度、反應時實際摩爾比、反應物混合程度等。

關鍵詞：大氣污染；SCR催化劑；反應溫度；空速；反應物摩爾比；混合程度；氨逃逸率

能源是人類生存和發展的重要物質基礎，在過去的十多年里，傳統的礦物燃料仍將是很長一段時間內能有生產和消費的主體，尤其在我國，煤炭約占一次能源的70%，在未來相當長的時期內，煤炭作為能源主體的地位不會改變，而能源開發利用所造成的環境問題日益嚴重。我國能源結構目前仍以化石燃料為主，尤其是煤炭為主，而煤炭的最主要用途就是發電，我國燃煤發電只要是通過直接燃燒的方式。煤炭燃燒產生大量的煙塵、硫氧化物、氮氧化物、汞等重金屬氧化物，以及大量二氧化碳氣體。這些污染物排入大氣，已經造成嚴重的環境問題，是我國經濟可持續發展亟待解決的問題。目前在燃煤電站煙塵及硫氧化物排放的控制方面，通過靜電除塵和濕法脫硫等技術得到了有效的解決，截至2010年底電廠脫硫機組容量達到5.65億kW，占火電容量比例的80%。

氮氧化物是繼二氧化硫之后燃煤發電污染物治理的重點，據測算，我國2011年氮氧化物排放量為2404.3萬t，比2010年上升5.73%，而我國氮氧化物的環境容量只有1800萬t。截至2011年底，全國脫硝設施通過環保驗收的燃煤機組月1億kW，約占煤電裝機總量的16%，隨著新的國家火電廠污染物排放標準的頒布，火電廠煙氣脫硝裝置在未來一段時間內將會大幅度增長。而選擇性催化還原（SCR）技術由于技術的成熟和較高的脫硝效率，已成為國際上電廠煙氣脫硝的主流技術，SCR技術在我國已逐步開始大規模的推廣應用。

在SCR反應過程中，加氨（NH3）通過催化劑作為媒介可以把NOx轉化為空氣中天然含有的氮氣（N2）和水（H2O）。主要的化學反應方程式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6N2+8NH3→7N2+12H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

1 反應溫度

反應溫度不僅決定反應物的反應速度，而且決定催化劑的反應活性。一般來說，反應溫度越高，反應速度越快，催化劑的活性也越高，這樣單位反應所需的反應空間小，反應器體積變小。

NOx的還原反應只有在特定的溫度區間才會有效。SCR過程使用的催化劑降低了NOx還原反應最大化要求的溫度區間。在指定溫度區間以下，反應動力降低。超出此溫度范圍，會生成N2O等，并且存在催化劑燒結、鈍化。

在SCR系統中，最適宜的溫度取決于過程中使用的催化劑類型和煙氣成分。對于絕大多數商業催化劑，SCR過程適宜的溫度范圍可達到250～420℃，不同的催化劑廠商有一定的差異。

2 停留時間和空速

停留時間是反應物在反應器中與NOx進行反應的時間。停留時間長，通常NOx脫除效率高。溫度也影響所需的停留時間，當溫度接近還原反應的最佳溫度，所需的停留時間減少。停留時間通常表示成空間速度（Space Velocity）。空間速度是SCR的一個關鍵設計參數，它是煙氣在催化劑容積內的停留時間尺度，即停留時間的倒數。它在某種程度上決定反應物是否完全反應，同事也決定著反應器催化劑骨架的沖刷和煙氣的沿程阻力。

空間速度大，煙氣在反應器內的停留時間短，則反應有可能不完全，這樣氨的逃逸量就大，同時煙氣對催化劑骨架的沖刷也大，對于固態排渣爐高灰段布置的SCR反應器，空間速度一般選擇2500～3500h-1。空間速度通常是根據SCR反應塔的布置、脫硝效率、煙氣溫度、允許的氨逃逸量以及粉塵濃度來確定的。

3 實際的n（NH3）/n（NOx）

根據SCR反應化學方程式，對于n（NH3）/n（NOx）理論上應為1。在脫除效率達到85%之前，NH3和脫除的NOx量之間有1：1的線性關系，但在效率85%以上時，脫除效率開始穩定，要得到更高的效率需要比理論值更多的氨量。這歸因于工NOx中以NO2形式存在的部分，以及反應率的限度。典型的SCR系統采用每摩爾NOx1.05mol氨的化學當量比。然而在工程實踐中如果加入過多的氨，由于煙氣經過空氣預熱器溫度迅速下降， 多余的NH3會與煙氣中的SO2和SO3等反應形成銨鹽，導致煙道積灰與腐蝕。另外，NH3吸附在煙氣飛塵中，會影響電除塵器所捕獲粉煤灰的再利用價值，氨泄漏到大氣中又會對大氣造成新的污染。典型的SCR系統采用n（NH3）/n（NOx）為1.05。

4 混合程度

SCR工程設計的關鍵是達到NH3與NOx的最佳的湍流混合。因此，脫硝反應物必須被霧化并與煙氣盡量混合，以確保與被脫除反應物有足夠的接觸。混合由噴射系統通過向煙氣中加壓的氣態氨完成。噴射系統控制噴入反應物的噴入量、噴射角、速度和方向。一般系統用蒸汽或空氣作為載氣，用以增加穿透煙氣的能力。

煙氣和氨在進入SCR反應器之前進行混合，如果混合不充分，NOx還原效率降低，SCR設計必須在氨噴入點和反應器入口有足夠的管道長度來實現混合。混合時還可通過以下幾點進行改善：

（1）在反應器上有安裝靜態混合器。

（2）提高給予噴射流體的能量。

（3）提高噴射器的數量或噴射區域。

（4）修改噴嘴設計來改善反應物的分配、噴射角和方向。

5 催化劑的選擇

SCR煙氣脫硝技術的關鍵是選擇優良的催化劑。SCR催化劑應具有活性高、抗中毒能力強、機械強度和耐磨損性能好、具有合適的操作溫度區間等特點。SCR催化劑可以根據原材料、結構、工作溫度等標準進行不同的分類。

5.1 SCR催化劑根據原材料分為貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、分子篩催化劑、碳基催化劑等。在SCR 技術中常用的為金屬氧化物催化劑，同時該種技術也較為成熟。金屬氧化物有V2O5，Fe2O5，CuO，CrOx，MnOx，MgO和NiO等。在眾多的金屬氧化物催化劑中研究和應用最多的是V2O5/TiO2，V2O5-WO3/TiO2或V2O5-WO3/TiO2，這些催化劑被用于300～400℃的傳統SCR 裝置中，具有較高的催化活性。單一金屬氧化物型催化劑還原NO活性不高，高溫下不穩定。復合金屬氧化物經組成、結構的調節和控制，通過穩定一些活性物質，催化活性可得到明顯改善。其中常用的方法是將氧化物活性組分通過浸漬負載到氧化物載體上。復合金屬氧化物的表面經活化處理，還具有較高的熱穩定性。

因此，目前工程中應用的SCR催化劑有非負載型金屬氧化物催化劑、以TiO2為載體的金屬氧化物催化劑和以A12O3、ZrO2，SiO2等為載體的金屬氧化物催化劑。其中，傳統的負載型金屬氧化物催化劑主要以V2O5為主劑，以MoO3、WO3和MoO3為輔劑構成的復合氧化物作為活性成分。但是，這些催化劑需要的起活溫度較高，在低溫范圍大都活性較低，故很難達到實際應用要求。

5.2 催化劑結構型式可分為三種：板式、蜂窩式和波紋板式。三種催化劑在燃煤SCR上都擁有業績，其中板式和蜂窩式較多，波紋板式較少。催化劑的設計就是要選取一定反應面積的催化劑，以滿足在省煤器出口煙氣流量、溫度、壓力、成份條件下達到脫硝效率、氨逃逸率等。

SCR基本性能的設計要求；在灰分條件多變的環境下，其防堵和防磨損性能是保證SCR設備長期安全和穩定運行的關鍵。在防堵灰方面，對于一定的反應器截面，在相同的催化劑節距下，板式催化劑的通流面積最大，一般在85%以上，蜂窩式催化劑次之，流通面積一般在80%左右，波紋板式催化劑的流通面積與蜂窩式催化劑相近。在相同的設計條件下，適當的選取大節距的蜂窩式催化劑，其防堵效果可接近板式催化劑。三種催化劑以結構來看，板式的壁面夾角數量最少，且流通面積最大，最不容易堵灰；蜂窩式的催化劑流通面積一般，但每個催化劑壁面夾角都是90°直角，在惡劣的煙氣條件中，容易產生灰分搭橋而引起催化劑的堵塞；波紋板式催化劑流通截面積一般，但其壁面夾角很小而且其數量又相對較多，為三種結構中最容易積灰的版型。

5.3 根據催化劑的適宜溫度范圍，SCR催化劑可分為高溫催化劑、中溫催化劑和低溫催化劑，其溫度分別為：

高溫催化劑：345～590℃

中溫催化劑：260～380℃

低溫催化劑：80～300℃

目前，國內外SCR系統大多采用高溫催化劑，反應溫度在315℃～400℃。

6 氨逃逸

氨逃逸是指過量的反應物通過反應器排放到煙氣中。這樣一來，煙氣中的氨會引起很多問題，包括健康影響、煙囪排煙的可見度、飛灰的出售和硫酸銨的生成等。因此，工程公司在進行SCR設計時都會進行嚴格限制，一般要求在3ppm以下。

當SCR系統運行時，氨逃逸不會持續不變，催化劑活性降低時逃逸量就會增加。設計合理的SCR系統要求運行在接近理論化學量比時提供足夠的催化劑量，以便維持較低的氨逃逸水平，約為2～3ppm。目前已經有可靠的氨逃逸監測儀器，但是相當一部分還達不到商業運用的水平。一種量化氨逃逸的方法是測定收集飛灰中氨的濃度，是一種實際可行的方法。

以上粗淺分析了SCR脫硝效率的主要影響因素，SCR脫硝效率同時還與SCR反應器設計的流場分布等性能值有很重要的關系，僅闡述在工藝運行中的主要影響因素。

參考文獻

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作者簡介：周士朋，男，專業：火電廠輔控，職稱（職務）：助理工程師。