燃煤電廠SCR脫硝工藝進展與現狀

鄭觀文，牛慶林

(1.湛江電力有限公司，廣東 湛江 524099；2.武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

燃煤電廠SCR脫硝工藝進展與現狀

鄭觀文1，牛慶林2

(1.湛江電力有限公司，廣東 湛江 524099；2.武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

燃煤電廠排放煙氣中氮氧化物是造成大氣污染的主要污染物之一，為了控制氮氧化物排放量，煙氣脫硝工藝迅速發展。目前電廠廣泛應用的是NH3-SCR煙氣脫硝工藝。本文綜述了SCR工藝的脫硝原理、催化劑研究最新狀態及成果、還原劑使用中的問題等。為了節約能源和改善SCR脫硝工藝，低溫SCR脫硝工藝研究成為當下研究熱點。

燃煤電廠；煙氣脫硝；SCR工藝

化石能源在我國能源結構中占有很大的比重，尤其對于發電廠來說，燃煤電廠在我國電力生產中占有非常大的比重，煤電發電量約占我國總發電量的90%。煤炭在燃燒過程中會產生大量有害氣體，氮氧化物(NOx)就是其中之一。一般來講，氮氧化物(NOx)包括NO、NO2、N2O、N2O3、N2O5等，而燃煤電廠排放的氮氧化物主要是NO、NO2和N2O，其中NO占90%以上。氮氧化物排放到大氣中，會引起酸雨和光化學煙霧等，對環境、農作物生長和人類生產生活造成嚴重破壞。

煤燃燒過程中，NOx的生成有三種途徑，即“熱力”型NOx、“快速”型NOx和“燃料”型NOx。火力發電廠排放煙氣中主要是“燃料”型和“熱力”型NOx，其中“燃料”型占75%～90%[1]。隨著環境污染和環保意識的不斷增強，我國對煙氣排放標準也日益嚴格。燃煤電廠是氮氧化物主要排放源之一，控制燃煤電廠的氮氧化物排放量對于我國環境保護具有重要的意義。目前，煙氣脫硝工藝有很多，燃煤電廠應用最為廣泛的是選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝。但是SCR技術存在一些缺陷，如催化劑易被煙塵磨蝕，現用的液氨還原劑存在安全隱患等。隨著環保要求和經濟要求的不斷提高，現有SCR技術面臨嚴峻的挑戰，改良SCR技術成為當前的研究熱點。

1 SCR催化原理

關于SCR催化脫硝的反應機理的解釋很多，目前被廣泛認可的機理是Eley-Rideal機理[2]。即NH3首先吸附在催化劑表面的酸性活性位點，并得到活化，NO擴散到NH3周圍并與其反應生成不穩定的中間產物，然后中間產物分解成N2和H2O。其中N2中的N原子一個來自NH3，一個來自NO。O2的作用主要是V=O鍵的再生，從而完成催化循環[3-4]。

Dong[5]等研究表明，V2O5-WO3/TiO2催化劑表面所含化學吸附態O2及V離子價態是影響催化劑脫硝活性的關鍵因素。其研究表明，V5+、W6+、Ti4+等高價態離子主要形成Br?nsted酸位點，V4+(3+)、W5+等低價態離子主要形成Lewis酸位點，且Lewis酸比Br?nsted酸具有更強的NH3吸附力。恰當的V4+(3+)/V5+比能顯著提高脫硝活性，因為該比例下脫硝時氧化反應和還原反應的電子轉移量相同。Dong等在含氧量15%的O2/N2氛圍下制得的催化劑V4+(3+)/V5+比最大，其脫硝活性最高。

某些低溫SCR催化劑的脫硝機理與釩鈦基催化劑有所不同。Chen[6]等研制出Fe3Mn3O8低溫SCR催化劑，并探究了催化劑的脫硝機理。催化劑利用煙氣中的氧氣將NO氧化為NO2并與NH3反應生成NH4NO2，NH4NO2在低溫下(小于100℃)可迅速分解為N2，從而達到脫硝目的。

2 SCR催化劑

SCR催化劑主要有貴金屬、金屬氧化物、沸石分子篩等。貴金屬催化劑造價昂貴，易發生氧抑制和硫中毒，沸石分子篩催化劑在應用中存在水抑制和硫中毒問題，這些缺陷使得貴金屬和沸石分子篩未得到廣泛應用。金屬氧化物催化劑主要有V2O5、Fe2O3、MnOx等，通常以TiO2、SiO2和活性炭作為載體[7-9]。

目前已商業化的催化劑是V2O5/TiO2，其適用溫度范圍是300～450℃，有研究表明，在350℃時該催化劑脫硝率達95%[10]。Yang[11]等從含鈦爐渣中提取TiO2，負載V和W合成SCR催化劑。其研究發現，相對于商業化的V-W-Ti催化劑，其制得催化劑脫硝率更高，使用溫度范圍增大為150～450℃，抗SO2性能提高，并且生產成本大為降低。爐渣所制催化劑性能提高的原因是該催化劑中含有微量的Al、Fe等雜質，這些微量雜質改善了催化劑的脫硝性能。

為了節約能源和改善現有SCR工藝，許多科研人員將目光投向低溫SCR催化劑的研究，并且加入其他金屬元素(如Mn、Ce、Sb、Fe、Cr等)來提高催化劑的脫硝性能和抗硫抗水性能。謝[12]研究表明，120℃采用錳基催化劑，NO轉化率達98.5%。然而，錳基催化劑在低溫下對SO2和H2O抵抗能力差。Surjit[13]等以棉花秸稈為原料制作活性炭并負載Mn和Ce制得低溫SCR催化劑，其研究結果表明，金屬元素負載量是影響該催化劑脫硝性能的主要因素。當Mn和Ce負載量大于10%時，280℃下脫硝率可達99%。但是，棉花秸稈中的堿金屬(K、Na)等會與NH3爭奪活酸性活位點，從而降低催化劑的脫硝效率。Xu[14]等在釩鈦催化劑中加入Ce和Sb以提高其性能，經測試，在210～400℃范圍內，催化劑脫硝率在90%以上。Guan[15]等將釩鈦催化劑中的部分V用Ce或Mn替代，所制Ti0.9Mn0.05V0.05Ox催化劑在200～350℃內脫硝率高于95%。

Chen[16]等合成了Cr-MnOx低溫催化劑，并研究了煅燒溫度、鉻負載量等對該催化劑脫硝性能的影響。其實驗結果表明，650℃煅燒制得的Cr(0.5)-MnOx催化劑，在溫度大于120℃時脫硝率大于95%。并且運行500h后，催化劑的脫硝活性依然高于91%，該催化劑低溫脫硝性能非常好。但是，煙氣中有100μg/L SO2存在時，該催化劑脫硝性能迅速下降15%，這說明該催化劑抗SO2性能不夠理想。Chen在進一步研究中[16]，將Cr替換為Fe，在500℃煅燒制得了Fe(0.5)-MnOx催化劑。該催化劑在50℃時脫硝率就可達90%，溫度大于100℃時脫硝率大于95%。實驗運行500h后，脫硝率降至74.5%。而且實驗煙氣中加入SO2和水，催化劑脫硝活性降低至87%，停止加入SO2和水后，脫硝活性自動恢復至93%，這說明該催化劑抗硫抗水性能不是很理想。經研究發現，加入的SO2與催化劑中的MnOx發生不可逆反應，被毒害的MnOx不可恢復。Chen的這兩項研究顯著降低了SCR催化劑的反應溫度，如能大幅延長催化劑使用壽命，其有望實現工業應用，且可以置于脫硫反應器之后進行脫硝，從而減小SO2對脫硝的影響。

3 SCR催化劑的再生

SCR催化劑在使用過程中會逐漸失活，于艷科[17]等通過研究發現，催化劑表面V價態的改變、高溫燒結和催化劑表面形成硫酸銨等是造成催化劑失活的主要原因。目前SCR催化劑的再生方法主要有水洗再生、熱再生、熱還原再生和酸液處理。水洗再生主要除去可溶性有毒物質，水洗過程中結合超聲處理可清理催化劑表面污物及被堵塞的通道。熱再生主要再生被(NH4)2SO4或NH4HSO4污染的催化劑，較高溫度下污染物揮發而除去。稀硫酸對催化劑的釩鹽有很好的溶解作用，恰當濃度的稀硫酸可清洗燒結失活催化劑表面的晶態釩。對于砷等毒性物質導致催化劑失活以及催化劑與SOx發生不可逆反應而導致的失活，催化劑一般很難再生[18-20]。

4 SCR還原劑

SCR還原劑主要有液氨、氨水和尿素。目前液氨是應用最為廣泛的還原劑，但是液氨具有高毒性，其運輸和儲存存在非常大的安全隱患，液氨儲量超過10t即成為重大危險源[21]。隨著安全意識的不斷加強，液氨將受到越來越多的限制，尤其是位于人口較多地區的電廠，液氨使用控制會更加嚴格。氨水制氨成本較高，且所制氨氣帶有大量水蒸氣，難以滿足脫硝使用要求，因此在電廠中氨水很少使用。尿素無毒無害，來源廣，運輸和儲存非常安全、方便，且由尿素制得的氨氣能夠滿足SCR要求，因此國內越來越多的電廠開始采用尿素作為氨氣來源。

尿素分解為氨氣有兩種方法，即尿素水解法和尿素熱解法。水解法是在150～200℃，高壓條件下將40%～60%的尿素溶液分解為氨氣的方法。水解法加熱方式分為直接加熱和間接加熱，直接加熱是指將高溫蒸汽直接通入尿素溶液中來加熱溶液，間接加熱是指通過盤管式加熱器來加熱尿素溶液。水解法具有能耗低，尿素分解率高，運行成本低等優點，但是如果溫度控制不好會產生副產物氨基甲酸銨和縮二脲等而造成水解系統的腐蝕和堵塞，嚴重時會影響水解器的安全穩定運行[22]。尿素熱解法是將40%～60%的尿素溶液通過霧化噴槍霧化并噴入熱解室中，在300～650℃條件下將尿素分解為氨氣和其他副產物的方法。熱解加熱方式有電加熱和燃油加熱，因此能耗較高[23]。在電廠中，可以采用空氣預熱器出口一次風作為稀釋風來降低熱解能耗[24]。由于熱解法不需要高壓，且腐蝕傾向明顯低于水解法，所以熱解法也得到了非常廣泛的應用。但在實際應用中發現，熱解室和管道尾部經常出現蜂窩狀尿素結晶，嚴重時會造成管道堵塞，從而引起設備故障。分析發現造成尿素結晶的因素很多，主要是熱解室內部流場設計問題，如熱解室設計有偏差使內部流場不均勻，造成局部低溫而形成尿素結晶，或者霧化后的尿素在熱解爐內停留時間過短，尿素未完全分解而形成結晶。尿素霧化噴槍霧化效果較差也會導致尿素結晶現象[25]。針對這些成因，防止結晶的方法主要是合理設計熱解室內部流場，避免產生偏流或停留時間短等問題出現。此外，尿素溶解水品質差、霧化空氣品質差等因素也會引起尿素結晶，在運行時也須注意這些因素的影響。

5 結語

煙氣脫硝技術有很多，而SCR工藝是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的技術。當前我國SCR催化劑使用量非常大，造成脫硝工藝成本較高。為了降低成本和提高SCR催化劑性能，科研人員進行了大量研究，取得非常好的成果。為了節約能源，實現更高效經濟脫硝，低溫SCR脫銷技術成為當前研究熱點。當前低溫催化劑使用壽命短，適用溫度范圍難以應用于電廠實際環境，攻克現有低溫催化劑存在的不足，是實現其工業應用的關鍵。SCR還原劑主要是氨氣，其運輸、儲存和使用存在很大的安全問題。尿素作為氨氣的替代還原劑，正得到越來越廣的應用，但是尿素分解過程中存在的一些問題制約了其更廣泛的應用，如何解決這些問題成為其安全應用的關鍵。更加經濟、環保、安全的脫硝工藝是未來的研究重點，也是解決現有脫硝工藝問題的最終出路。

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(本文文獻格式：鄭觀文，牛慶林.燃煤電廠SCR脫硝工藝進展與現狀[J].山東化工，2016，45(12)：53-55.)

Progress and Status of SCR Technology of Coal Fired Power Plant

Zheng Guanwen1,Niu Qinglin2

(1. Zhanjiang Electric Power Co Ltd,, Zhanjiang 524099, China ;2. School of Power and Engineering, Wuhan University, Wuhan 430000, China)

Nitrogen oxides in the flue gas of coal fired power plant is one of the main pollutants in air pollution. In order to reduce the pollution of nitrogen oxides, the flue gas denitrification technology has got rapid development. Currently NH3-SCR flue gas denitrification technology is widely used in power plants. This paper reviews mechanism of SCR, the latest research status of the catalysts, and the reducing agent problems in application. In order to save energy and improve SCR technology, low temperature SCR technology has became the hot spots in the current researches.

coal-fired power plant; flue gas denitrification; SCR technology

2016-04-22

鄭觀文(1975—)，廣東湛江人，大專學歷，湛江電力有限公司化學專責，工程師，從事電廠化學專業。

X701

A

1008-021X(2016)12-0053-03