scR煙氣脫硝技術在燃煤電廠中的應用

【摘要】SCR煙氣脫硝技術是一種脫硝效率較高的煙氣中NOx處理技術，隨著國家NOX排放標準的不斷加嚴，近年來大型燃煤電廠普遍采用SCR脫硝技術，取得到較好的效果。本文介紹了SCR工藝原理、催化劑及還原劑類型及特點、影響脫硝效率的因素，通過某燃煤電廠采用此工藝的成功應用，闡述了SCR煙氣脫硝技術的實際應用價值。

【關鍵詞】選擇性催經還原法（SCR）；催化劑；脫硝效率；氨逃逸

隨著大氣污染防治行動計劃的推進，要求火電行業在2018年底前必須全部完成超低排放改造，到期未完成改造的，堅決予以關停淘汰[5]。超低排放要求，即煙氣中各類污染物排放濃度符合《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）表2燃氣輪機組特別排放限值，以燃煤電廠排放煙氣中NOx實現超低改造為例，即要求NOx排放濃度小于50mg/m3[1]。目前燃煤電廠多采用SCR、SNCR脫硝技術，但從大部分工程實例來看，想要實現NOx排放濃度小于50mg/m3的超低排放要求，采用SCR技術更為可靠。本文從某燃煤電廠采用SCR脫硝工藝處理煙氣中氮氧化物實現超低排放的實際應用，探討了SCR脫硝技術在燃煤電廠煙氣處理中的應用及效果。

1、SCR工藝原理

選擇性催化還原SCR煙氣脫硝技術是上世紀七十年代末八十年代初首先由日本發展起來的，即在催化劑的作用下NH3可以選擇性地和NOx反應生成N2和H2O，其基本反應方程式為：4NO+4NH3+O2，6H2O+4N2，6NO2+8NH3，12H2O+7N2

上面第一個反應是主要的，因為煙氣中幾乎95%的NOx是以NO的形式存在。另外，由于煙氣成分的復雜性和氧的存在，伴隨著NH3對NOx還原的主反應還會發生一系列副反應并生成相應產物。可以作為SCR反應還原劑的有NH3、CO、H2，還有甲烷、丙烷、丙烯等，以氨作為還原劑的時候，NO的脫除效率最高。

2、SCR裝置布置方式

SCR工藝有幾種不同的布置方式：高溫高塵布置、高溫低塵布置以及低溫低塵布置。

高溫高塵SCR系統：在這種方式中，SCR布置在省煤器的下游、空氣預熱器和除塵裝置的上游。在這一位置布置，一般采用金屬氧化物催化劑。這種方式布置的優點是進入反應器的煙氣溫度達300-500℃，溫度通常處于SCR反應的最佳溫度區，多數催化劑在此溫度范圍內有足夠的活性，煙氣不需加熱，可獲得較好的NOx凈化效果。但催化劑處于高塵煙氣中，壽命會受下列因素影響：飛灰中K、Na、Ca、Si、As會使催化劑污染或中毒；飛灰磨損反應器并使蜂窩催化劑堵塞；若煙氣溫度過高會使催化劑燒結或失效。

高溫低塵SCR系統：此種布置是將靜電除塵器布置在SCR系統前面，以防止煙氣中飛灰對催化劑的污染和對反應器的磨損和堵塞。在設計峰窩狀催化劑的時候，催化劑的孔間距可以縮小到4-7mm，這樣可以減小催化劑的體積。同時，與高溫高塵SCR系統相比，具有低成本、催化劑壽命長的優點。其缺點是當煙氣通過ESP之后溫度有所下降，雖然煙氣溫度通常不會下降到需要重新進行加熱的溫度點，但可能需要增加省煤器旁路和尺寸，以保證溫度維持在SCR系統所需要的最佳溫度區間范圍之內。

低溫低塵SCR系統：通常將SCR反應器布置在所有的氣體排放控制設備之后，包括顆粒物控制設備和濕法煙氣脫硫。在歐洲和日本早期建造的燃煤鍋爐電站系統中，通常采用此種布置。在前面的氣體控制設備中，已經除去了絕大多數對SCR催化劑有害的組分，催化劑不會受飛灰和SO3等氣態毒物的影響，但由于煙溫較低，一般需要對煙氣再加溫，使煙溫提高到催化劑的活化溫度，勢必增加能源消耗和運行費用。

目前，普遍采用高溫高塵布置方式。

3、常用還原劑類型

SCR所用還用劑有三類：液氨、氨水、尿素。采用液氨作為還原劑時，其設備包括：卸料壓縮機、儲氨罐、液氨蒸發槽、氨氣緩沖罐、氨氣稀釋槽、廢水池、廢水泵和氮氣瓶儲存室等，還原劑制備儲存設施宜在脫硝裝置附近集中布置，稱為氨區，氨區須有可靠的安全防護設施，如氣體濃度檢測報警裝置、防雷防靜電裝置、相應的消防設施、急救設備、應急泄漏處理設備等。采用氨水作為還原劑，其濃度約20-29%，較液氨相對安全。采用尿素作為還原劑時尿素需要經過熱解或水解來制得NH3，從而增加系統的能耗及運行費用。從還原劑的輸送及貯存、安全性能等多方面綜合考慮，目前大多采用尿素作為還原劑。

4、SCR系統催化劑

SCR法工藝的核心是催化劑，理想的催化劑應具有以下幾點：有較高的NOx選擇性；在較低的溫度下和較寬的溫度范圍內，具有較高的催化活性；具有較好的熱穩定性、化學穩定性、機械穩定性；費用合理[3]。催化劑主要有三類：以Pt-Rh和Pd等貴金屬為活性組分的催化劑，以金屬氧化物作為活性成分的金屬氧化物催化劑，沸石分子篩催化劑。最常用的是金屬氧化物催化劑，如V2O5（WO3）、Fe2O3、CuO、NiO等金屬氧化物，載體主要為TiO2、Al2O3、SiO2等[2]。催化劑一般有平板式、波紋板式和蜂窩狀三類，平板式催化劑采用鋼板作為骨架，表面涂敷活性催化劑層，相對重量輕，比表面積小，和波紋狀及峰窩狀催化劑相比所處理相同煙氣量，體積較大；峰窩狀催化劑具有足夠的強度，同時具有表面和深層催化作用，孔隙率高，強度高，磨損不易導致催化劑剝離、散失，催化劑很難失效；波紋板式催化劑活性物質利用率高，體積小，重量輕，密度小，但易堵塞，不耐磨損，壽命短。目前國內外電廠鍋爐多采用峰窩狀催化劑。

5、影響SCR脫硝效率的因素

影響SCR系統脫硝效率的主要因素包括反應溫度、氨氮摩爾比（NH3/NOX）、煙氣含塵量、氨逃逸率、反應時間等。（1）反應溫度 對NOx脫除效率有較大的影響，在SCR過程中溫度的影響存在兩種趨勢，一方面溫度升高使脫氮反應速率增加，使NOx脫除效率升高；另一方面溫度升高NH3氧化反應開始發生，使NOx脫除效率下降；一般煙氣溫度控制在320-400℃，過高或過低的溫度都會導致催化劑無法正常起到催化作用，致使脫硝效率降低。（2）氨氮摩爾比 NOx脫除效率隨著氨氮摩爾比增加而增加，當氨氮摩爾比小于1時，其影響更加明顯，若NH3投入量超過需要量，NH3氧化等副反應的反應速率將增大，從而降低了NOx脫除效率，同時氨逃逸增大，造成二次污染，在SCR工藝中，一般控制氨氮摩爾比在1.2以下[3]。（3）反應時間 煙氣與催化劑接觸時間越長，脫硝效率越高，這主要是由于反應氣體與催化劑的接觸時間增大，有利于反應在催化劑微孔內的擴散、吸附、反應和產物氣的解吸、擴散，從而使NOx脫除效率提高，但是，若接觸時間過長，NH3氧化反應開始發生，使NOx脫除效率下降。（4）入口煙氣含塵量 在燃煤鍋爐排煙脫硝系統中，由粉塵帶來的脫硝系統操作惡化主要體現在三個方面：堵塞催化劑單元，使壓損增大；粉塵中含有的堿分以及其他有害物質覆蓋在催化劑表面，可能引起催化劑中毒；隨著煙氣中含塵量的增加，對催化劑單元的磨損加劇。（5）氨逃逸率 殘余NH3對系統產生影響，主要是與煙氣中SO2、SO3共同作用的結果，生成帶有較強腐蝕性的物質，導致催化劑模塊本身以及下游空氣預熱器的腐蝕加劇，SCR反應器出口氨逃逸率必須控制在小于3ppm的范圍內[2]。（6）SO2/SO3轉化率 如果SCR脫硝反應發生在含有SO2的煙氣中，SO2會轉化為SO3， 這一反應對于SCR脫硝反應是非常不利的，因為SO3可以和煙氣中的水以及NH3反應，從而生成硫酸氨和硫酸氫氨，而這些氨鹽沉積在催化劑表面使催化劑失去活性，同時對下游空氣預熱器產生堵塞。

6、煙氣SCR脫硝技術應用實例

以我市一家燃煤電廠煙氣脫硝技術為例，該電廠采用SCR脫硝，還原劑為尿素，催化劑為釩鈦系蜂窩狀金屬氧化物類催化劑，采用高溫高塵布置，即：從尿素儲存和制備系統制得的氨氣送至氨/空氣混合器與空氣混合，混合后的氣體再送至SCR反應器內與煙氣中的氮氧化物在催化條件下反應，從而達到去除氮氧化物的目的，脫硝后的煙氣經空預器后進入靜電除塵器再去石灰石-石膏法脫硫塔脫除SO2，再進入濕式電除塵進一步除塵除霧后從煙囪排出，采用此工藝處理后的煙氣中煙塵≤5mg/m3，SO2≤35mg/m3，NOx≤50mg/m3，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）燃氣輪機組特別排放限值，實現了超低排放目標。

7、結語

通過大量燃煤電廠鍋爐脫硝工藝對比，在各種脫硝技術中，SCR脫硝效率最高，可達90%以上，工藝參數正常運行情況下NOx排放濃度可以穩定低于50 mg/m3，污染物去除效率好，滿足國家排放標準要求。其缺點是價格昂貴，投資和運行費用均較高。但從長遠發展來看，SCR脫硝技術應該是我國煙氣脫硝的基本技術，對于目前嚴格的環保排放標準，應首選SCR煙氣脫硝技術。

參考文獻：

[1] 《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），環境保護部，2011.7

[2] 《火電廠氮氧化物防治技術政策》，環境保護部，2010.1

[3] 注冊環保工程師專業考試復習教材 中國環境科學出版社

[4] 釧秦，燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M]. 北京：化學工業出版，2002

[5] 火電廠鍋爐煙氣脫硝提標改造項目竣工驗收監測報告 銀川市環境監測站 2017