淺談燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術應用

佟維娟 陳雅鑫

摘 要：煙氣脫硝是目前世界上發達國家普遍采用的減少NOx排放的方法，煙氣脫硝能達到很高的NOx脫除效率，而應用較多的是選擇性催化還原煙氣脫硝技術（SCR）。隨著《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）的實施，我國火電廠燃煤鍋爐的脫硝治理迫在眉睫，有必要加強燃煤鍋爐的選擇性催化還原煙氣脫硝技術（SCR）研究，減少NOx的排放。

關鍵詞：燃煤鍋爐；煙氣脫硝技術；選擇性催化還原；

近年來，氮氧化物的排放使我國大氣污染程度加劇，通常所說的氮氧化物包括一氧化二氮、一氧化氮、三氧化二氮、二氧化氮、四氧化三氮、五氧化二氮等。這些氮氧化物可以侵入呼吸道深部的細支氣管和肺泡，對肺組織產生強烈的刺激和腐蝕作用。同時氮氧化物參與光化學煙霧和酸雨的形成，具有更大的危害性。大氣中的氮氧化物70%以上來自于煤炭直接燃燒，而我國的能源結構又是以煤炭為主，所以燃煤鍋爐所產生的氮氧化物，對我國大氣環境造成嚴重污染。選擇性催化還原煙氣脫硝技術（SCR）已經廣泛應用于日本、德國、北歐、美國等國的燃煤鍋爐，具有技術成熟、脫硝率高、幾乎無二次污染的特點。我國也在積極的研究和應用這項技術，有效地控制燃煤鍋爐氮氧化物的排放。

一、煙氣脫硝技術

目前煙氣處理所采用的脫硝技術有很多種，包括選擇性催化還原煙氣脫硝技術（SCR）、選擇性非催化還原煙氣脫硝技術（SNCR）、SNCR/SCR聯合煙氣脫硝技術、液體吸收法、微生物吸收法、活性炭吸附法、電子束法等。在多種煙氣脫硝方法中，只有SCR、SNCR和SNCR/SCR在大型燃煤電廠獲得了較好的商業應用，其中SCR在全球范圍內有數百臺的成功應用業績和幾十年的運行經驗，日本和德國95%的煙氣脫硝裝置采用SCR技術，這項技術也是我國煙氣脫硝研究和應用的重點。

二、SCR反應機理及系統布置

（一）SCR技術反應機理

SCR技術的反應機理較為復雜，但主要的脫硝原理是在一定的溫度和催化劑的作用下，還原劑有選擇地把煙氣中的NOx 還原為無毒無污染的N2和H2O，還原劑可以使碳氫化合物、氨、尿素等，工業應用的還原劑只要是氨，其次是尿素。整個反應過程共涉及十幾個反應方程式，按照反應過程的重要程度可以將這些反應過程分為主要反應和副反應。以氨為還原劑的主要反應所包含的方程式：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）；

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（2）；

副反應所包含的方程式：

4NH3+3O2→2N2+6H2O （3）；

2NH3→N2+3H2（4）；

4NH3+5O2→4NO+6H2O （5）；

由于燃煤鍋爐產生的煙氣中幾乎95%的NOx都是以NO的形式存在，因此，SCR技術的主要反應為上述方程式中的（1）。如果是采用SNCR技術，即沒有催化劑存在的情況下，理想反應溫度為800-900℃，但是這一溫度范圍很難控制，一旦反應溫度超過900℃， NH3就會迅速被氧化為NO，從而降低NOx的還原速度[3]。據此分析可知SCR技術比SNCR技術更有實效性。在SCR技術中可以根據催化劑的種類調節反應溫度，只要催化劑選擇合理，反應溫度既可以高達250℃以上，也可以低至80℃，可見，SCR技術的反應過程是可以自由選擇的。

（二）SCR技術系統布置

在SCR技術中，催化劑的選擇尤其重要，反應過程中催化劑需安置在一個固定的箱體中，燃煤鍋爐產生的煙氣經過反應器后流經催化劑表面。由于煙氣是自下而上運動的，因此，為了保證煙氣與催化劑能夠完全接觸，往往將催化劑單元垂直放置在反應器中，有時也會水平布置催化劑單元，根據反應器在燃煤鍋爐煙氣脫硝系統中的放置位置，可以將其系統布置方式分為三種：高煙氣段布置、低煙氣段布置和尾部煙氣段布置[4]。反應器布置方式不同其工藝流程也不同。高煙氣段布置就是將SCR反應器安置在省煤器之后，該位置的煙氣溫度可以達到500℃，在這個溫度下大部分催化劑仍然能夠保持足夠的反應活性，因此脫硝效果比較顯著。但是這種布置方式的建設成本較高，SCR反應器內的反應容易受燃煤鍋爐負荷的影響。將SCR反應器安裝在燃煤鍋爐脫硝系統中的除塵器之后即為低煙氣段布置，該位置的煙氣含有大顆粒物質，由于反應器沒有自我清潔功能，因此該位置上的反應器容易產生積灰。將SCR反應器安裝在整個煙氣脫硝系統的最末端就是尾部煙氣段布置方式[5]。這里的粉塵量和SO2等物質含量都較少，但是反應溫度較低，要想使催化劑發生作用需對煙氣在此加熱，這樣就會增加運行成本。

三、SCR脫硝效率的主要影響因素

在SCR脫硝工藝中，影響NOx效率的主要因素是反應溫度、反應時間、催化劑性能、NH3/NOx摩爾比等。

四、SCR技術工程應用實例

某電廠所使用的550MW鍋爐所需煤種較為復雜，NOx的排放量變化較大，煙氣脫硝難度也大，因此在該550MW的鍋爐上安裝了SCR系統。考慮到所安裝SCR系統的要求溫度為300-400℃，需將反應器放置在省煤器和空氣預熱器之間，確保煙氣溫度能夠滿足SCR系統所需要的反應溫度。該SCR反應器的水平方向上安裝有煙氣導流裝置和NH3噴射隔柵，垂直方向上安裝有催化劑床，為了避免煙氣泄露，還在催化劑床周圍安裝了封閉系統，防止煙氣在催化劑塊體之間逃逸。該SCR系統在運行過程中，催化劑是主要設備，煙氣所攜帶的飛灰中含有Na、Ca、Si、As等成分時，會使催化劑“中毒”或受污染，從而降低催化劑的效能，甚至完全喪失活性，因此，需要及時替換原有的催化劑，該廠在安裝使用SCR系統后每年約需要更換1/3的催化劑。

五、應用SCR技術的幾點考慮

（1）綜合使用SCR技術與其他煙氣脫硝技術。雖然SCR技術的脫硝效果比較理想，但是建設成本和運行成本較高，尤其是定期更換催化劑更需要大量的人力物力，若能把SCR技術和其他煙氣脫硝技術結合起來使用，可以降低成本費用。燃燒控制和SCR技術的組合應用被公認為最先進的一種聯合脫硝技術，鑒于我國許多大型機組已開始使用燃燒控制技術，基本具備硬件基礎，因此可以考慮推廣這種聯合方式。

（2）根據目前氮氧化物排放標準的不斷升級，各個行業的不同爐型都在考慮脫硝，對催化劑的反應溫度要求越來越高，因此有必要開發一種低溫催化劑，避免對煙氣進行再次加熱，增加運行費用。

結語

煙氣脫硝是目前許多國家普遍采用的減少NOx排放的方法，具有很高的脫除效率，我國應當立足于我國國情，加強煙氣脫硝技術應用研究與實踐，不斷提高SCR技術在燃煤鍋爐煙氣脫硝中的應用水平。

參考文獻：

[1]魏宇，代偉偉. 選擇性催化還原（SCR）技術在電站鍋爐煙氣脫硝改造工程中的應用[J]. 裝備機械，2011，01：31-36.

[2]譚青，馮雅晨. 我國煙氣脫硝行業現狀與前景及SCR脫硝催化劑的研究進展[J]. 化工進展，2011，S1：709-713.

[3]王錚，薛建明，許月陽，等. 選擇性催化還原協同控制燃煤煙氣中汞排放效果影響因素研究[J]. 中國電機工程學報，2013，14：32-37+12.