燃煤煙氣脫硝技術研究進展

解雙洋

摘 要：對燃煤煙氣脫硝現有技術進行了綜述。重點對選擇性催化還原法（SCR）、非選擇性催化還原法（SNCR）、SNCR-SCR聯合脫硝法等工藝及工業化現狀進行了分析，最后針對環保要求提出了我國脫硝技術應以開發中國特色的脫硝技術和加強新技術的研發為方向。

關鍵詞：燃煤煙氣；脫硝；機理；工藝；研究進展

通常所說的是NOx（氮氧化物）主要包括NO，NO2，N2O3，N2O，N2O5等，其中以易造成酸雨的NO，NO2為主。隨著我國經濟的發展，燃煤電廠排放的NOx成為我國NOx排放的主要來源。如果不加強對煙氣中NOx的治理，我國未來的酸雨污染也將由硫酸型向硫酸/硝酸復合型發展。

目前，對于燃燒產生的NOx污染的控制技術主要分兩大類：生成前的控制（燃料脫氮、低NOx燃燒工藝）、生成后的煙氣脫硝。生成前控制的燃料脫氮技術至今尚未很好開發，低NOx燃燒工藝國內外已做了大量研究，開發了一些技術和設備，并已部分應用，但這些控制技術的脫硝效率都不高。目前，煙氣脫硝仍是NOx污染控制的主要技術。

1 選擇性催化還原法

SCR脫硝技術是指在催化劑的作用下，還原劑（H2，CO，烴類，NH3）與煙氣中的NOx反應生成無害的N2和水，從而去除煙氣中的NOx。

催化劑是影響NOx脫除效率的重要因素，催化劑的種類主要有以下3種：（1）催化劑主要是Rh和Pd等，有較高的活性且反應溫度較低。但由于它們和硫反應，且價格昂貴，在20世紀八九十年代以后逐漸被金屬氧化物類催化劑所取代。（2）金屬氧化物類催化劑，主要包括V2O5，Fe2O3，CuO，CrOx，MnO，MgO，MoO3等金屬氧化物或其聯合作用的混合物，還原劑一般選擇NH3。（3）沸石分子篩型，主要是采用離子交換方法制成的金屬離子交換沸石。特點是反應較高，最高可達600℃，目前是國外研究的重點，但在工業應用方面不是很多。

用NH3催化還原NO脫氮效率高，鐘秦等研究V2O5/TiO2選擇性催化還原脫除煙氣中NOx時發現在310℃時脫硝效率達到最大值（90%），Flora等的研究結果表明，當n（NH3）/n（NOx）在1.0左右時能達到95%以上的NOx脫除率。但這種催化方法用的NH3價格相當貴，而且存在氨泄漏的危險。由此各種替代還原劑和催化劑應運而生。有人指出，在低溫（150℃）和有氧、水蒸氣存在時，烴類是選擇性催化還原NO中最有效的還原劑，相應的催化劑為活性炭和以活性炭為載體的過渡金屬氧化物。

2 非選擇性催化還原法

SNCR是一項成熟的技術。1974年在日本首次投入商業應用，到目前為止，全世界大約有300套SNCR裝置應用于電站鍋爐、工業鍋爐、市政垃圾焚燒爐和其他燃燒裝置。SNCR工藝就是把含有氨基的還原劑噴入到鍋爐爐膛中900～1100℃的區域內，該還原劑快速熱解成NH3，并和煙氣中的NOx進行還原反應，把NOx還原成N2和H2O。非選擇性催化還原法受溫度、NH3/NOx摩爾比及停留時間影響較大。王智化等通過模擬試驗得出氨水最佳噴射溫度范圍為850～1100℃，NH3/NOx理想摩爾比介于1～2，停留時間為1s時，最大NOx還原率達到82%。

SNCR的應用中可能出現一些問題：（1）SNCR工藝中氨的利用率不高，容易形成過量的氨泄漏。氨泄漏造成環境的污染并形成氨鹽可能堵塞和腐蝕下游設備。（2）形成溫室氣體N2O。研究表明用尿素作還原劑要比用氨作還原劑產生更多的N2O。（3）如果運行控制不適當，用尿素作還原劑時可能造成較多的CO排放。（4）在鍋爐過熱器前大于800℃的爐膛位置噴入低溫尿素溶液，必然會影響熾熱煤炭的繼續燃燒，引發飛灰、未燃燒碳提高的問題。

3 SNCR-SCR聯合脫硝法

混合SNCR-SCR煙氣脫硝技術并非是SCR工藝與SNCR工藝的簡單組合，它是結合了SCR技術高效、SNCR技術投資省的特點而發展起來的一種新型工藝。Brain等研究提出，SCR-SNCR聯合技術可以達到90%的NOx的去除率，并且NH3的泄漏率僅為0.0003%。

混合SNCR-SCR工藝最主要的改進就是省去了SCR設置在煙道里的復雜AIG（氨噴射）系統，它具有以下優點：（1）在節省催化劑的情況下，脫硝效率高，能達到SCR法的脫硝效率；（2）反應塔體積小，空間適應性強；（3）與傳統SCR工藝相比，系統壓降將大大減小，從而減少了引風機改造的工作量，降低了運行費用；（4）降低腐蝕危害。

4 煙氣脫硝新技術

4.1 微生物脫硝法

微生物脫硝法的原理：適宜的脫氮菌利用NOx作為氮源，將NOx還原成最基本的無害的N2，而脫氮菌本身獲得生長繁殖。其中NO2先溶于水中形成NO3及NO2-再被生物還原為N2，而NO則是被吸附在微生物表面后直接被微生物還原為N2，因此微生物法凈化NOx也主要利用了反硝化細菌的異化反硝化作用。微生物法的處理裝置主要有生物洗滌塔、生物過濾塔、生物滴濾塔和生物轉鼓等。國內外對微生物法的研究報道主要針對NOx中不易溶于水的NO，按其處理方式分為硝化處理、反硝化處理及真菌處理3類。微生物脫硝法與傳統的脫硝法相比，具有工藝設備簡單、能耗小、處理費用低、二次污染少等特點，因而成為世界各國工業廢氣凈化的熱點課題之一。

現今國際上對微生物脫硝技術的研究尚處于初始階段，其原因一方面是由于煙氣的氣量通常比較大，且煙氣中的NOx主要以NO形式存在，NO又基本不溶于水，不能進入液相介質中被微生物所轉化，再加上微生物吸附NO的能力差，導致NOx的實際凈化率較低；另一方面，由于對脫氮微生物的基礎研究不夠，致使工業放大有技術上的困難。因此，今后微生物脫硝技術研究的發展方向是：（1）與其它脫硝方式復合，使微生物作用最大化；（2）開發相關微生物固定載體及微生物應用放大技術；（3）加強高效廉價吸附還原NOx的功能菌的選育的研究。

4.2 微波脫硝法

微波脫硝技術是近年來隨著微波電子工業的發展而產生的新型煙氣脫硝技術之一。目前國內外該方面的研究主要集中在微波輔助NOx催化分解技術和微波脫硝與其它技術聯用兩個方面。微波脫硝法具有裝置簡單、一次性投資小、操作簡單、使用壽命長等優點。

目前，國內外對該技術的研究尚處于起步階段，盡管NOx去除率很高，但欠缺理論支持、能耗大、設備費用高、屏蔽防護等問題一時難以解決，也限制了微波脫硝的工業化進程，然而隨著技術的進步，微波在燃煤電廠中的應用仍然具有巨大的潛力和誘人的發展前景。

4.3 液膜法

液膜法凈化煙氣是美國能源部Pittsburgh能源技術中心（PETC）開發的，其原理是利用液體對氣體的選擇性吸收，使低濃度的氣體在液相中富集。液膜為含水液體，置于兩組多微7L憎水的中空纖維管之間，構成滲通器，這種結構可消除操作中時干時濕的不穩定性，延長設備的壽命。用于凈化煙氣的液膜不僅需要有選擇性，同時對氣體還必須具有良好的滲透性。

4.4 H2O2法

Greiner提出H2O2吸收紫外光（UV）光解可產生OH。DavidCooper等人在低溫下在煙道氣內設置UV燈激發H2O2發生反應，氧化NO，得出高溫下煙氣中的NO可達到10%～70%的轉化率。UV/H2O2法脫硫脫硝技術在國內的研究并不多。對于我國燃煤電廠來說，H2O2是一種相對廉價的吸收劑，而對于UV來說，電廠能源取用方便，成本低。因此，UV/H2O2法脫硫脫硝對于燃煤電廠煙氣污染物控制存在很大開發潛力，研究的目的在于如何應用最少的資源獲得最理想的污染物控制效果。

5 結語

我國的煙氣脫硝技術研究還處于起步階段，但隨著我國經濟實力的提高和硝酸型酸雨的危害越來越明顯，煙氣脫硝技術的發展已經成為大勢所趨。目前成熟的工業化技術主要是選擇性催化還原法和非選擇性催化還原法，其他煙氣脫硝技術尚未成熟，需要對現有工藝進行改善，確定最佳的應用條件。

根據我國的實際情況，在經濟發達地區對于新建電廠建議采用脫除效率高、運行穩定的SCR煙氣脫硝工藝；在經濟欠發達地區，可以采用SNCR-SCR聯合脫硝法以分步建設，在排放標準較低的時期，可以只建SNCR部分，待排放標準提高后再建SCR部分。

另外，開展脫硝新技術及各種技術的聯用的研究。目前SCR-SNCR混合脫硝、微波-SCR聯用、生物絡合聯用等脫硝技術聯用的技術研發已經出現，但工業化放大研究還未出現，因此加強新技術及聯用技術開發，形成若干擁有我國自主知識產權、適合我國國情的脫硝新工藝、新技術，力爭有所突破，使我國在煙氣脫硝市場上占領一席之地。

參考文獻

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