福建鑫澤環(huán)保設(shè)備工程有限公司 吳金泉

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淺談SCR煙氣脫硝工藝特點(diǎn)

福建鑫澤環(huán)保設(shè)備工程有限公司 吳金泉

選擇性催化還原法（SCR）是目前國際上處理火電廠鍋爐煙氣氮氧化物的最主要工藝。我公司于2004年與德國STEULER公司在煙氣脫硝技術(shù)方面展開了全方位的合作，并在國內(nèi)開展煙氣脫硝工藝及其工程應(yīng)用研究。該文介紹SCR工藝原理、影響因素，及合作公司的相關(guān)工藝流程特點(diǎn)。

煙氣脫硝 SCR 脫硝催化劑 脫硝工藝

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 在能源消費(fèi)中帶來的環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重。其中，大氣煙塵、酸雨、溫室效應(yīng)和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手。在我國，二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)主要是由燃煤過程產(chǎn)生的。排放燃煤煙氣所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質(zhì)是造成大氣污染、酸雨的主要來源。

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展同時伴隨著耗電量的劇增，這使得燃煤電廠的煙氣排放成為重點(diǎn)關(guān)注對象。目前，我國已經(jīng)開展了大規(guī)模的煙氣脫硫項(xiàng)目, 但煙氣脫硝正待全面展開。有研究資料表明，近年酸雨的類型已經(jīng)從硫酸型向硫酸和硝酸復(fù)合型轉(zhuǎn)化，如果再不加強(qiáng)對煙氣中氮氧化物的治理, 氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將直線上升, 并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。

我國煙氣脫硝技術(shù)研究和項(xiàng)目實(shí)施起步較晚，目前國內(nèi)運(yùn)行的較大型和大型的煙氣脫硝裝置所采用的工藝均為引進(jìn)歐、美、日等發(fā)達(dá)國家的技術(shù), 為適應(yīng)國內(nèi)煙氣脫硝市場的需要，我公司于2004年與德國STEULER公司在煙氣脫硝技術(shù)方面展開了全方位的合作，主要由德方提供技術(shù)支持，我方負(fù)責(zé)消化技術(shù)、組織工程設(shè)計(jì)，開拓國內(nèi)市場。

1 SCR煙氣脫硝工藝

當(dāng)前，在眾多的煙氣脫硝工藝中，選擇性催化還原法（SCR）是脫硝效率、使用率最高，最為成熟的主流脫硝工藝。1975年在日本Shimoneski電廠建立了第一個SCR系統(tǒng)的示范工程，其后SCR技術(shù)在日本得到了廣泛應(yīng)用，大約有170套裝置接近100GW容量的電廠安裝了這種設(shè)備；在歐洲已有120 多臺大型裝置的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其NOx的脫除率可達(dá)到80%~90%；美國政府也將SCR技術(shù)作為主要的電廠控制NOx技術(shù)，已建成157套裝置，總?cè)萘考s100GW；我國目前也已有幾十套裝置投入建設(shè)或運(yùn)行中。

所謂SCR脫硝工藝，是指常壓下，向含有氮氧化物和具有適宜溫度的煙氣中噴入約5%的氣氨，并使其混合均勻、流經(jīng)裝有催化劑的反應(yīng)器，進(jìn)行NOx與NH3的選擇性還原反應(yīng)而生成無害的N2和H2O。

1.1 SCR法煙氣脫硝原理

在催化劑作用下，向溫度約320℃～420℃的煙氣中噴入氨，將NOx還原成N2和H2O?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：

在有氧的條件下：

在無氧（或者缺氧）的條件下：

當(dāng)反應(yīng)條件改變時，就有可能發(fā)生以下副反應(yīng)：

溫度＞350℃（450℃以上開始激烈）：

溫度＜300℃：

因此，控制好反應(yīng)條件，可選擇性地使脫硝反應(yīng)向著理想的方向進(jìn)行，同時最大限度地節(jié)約還原劑消耗。

1.2 SCR煙氣脫硝工藝的影響因素

1.2.1 溫度對催化劑反應(yīng)性能的影響

催化劑的應(yīng)用設(shè)計(jì)是SCR工藝的重要環(huán)節(jié)，而采用何種催化劑又與SCR反應(yīng)器的布置方式密切相關(guān)。常壓下，一般將脫硝催化劑按使用溫度區(qū)分為三類：高溫催化劑(345℃～590℃)、中溫催化劑(260℃～380℃)和低溫催化劑(80℃～300℃)?？蛇\(yùn)用于電廠鍋爐煙氣脫硝裝置中的SCR催化劑材料種類、配方很多，不同的催化劑，其適宜的反應(yīng)溫度各異。

目前，國內(nèi)外SCR工藝系統(tǒng)大多采用V2O5-MoO3（WO3）/TiO2高溫催化劑，且盡可能尋優(yōu)控制反應(yīng)溫度在350℃～380℃。如果反應(yīng)溫度太低,催化劑的活性降低,脫硝效率下降，不僅達(dá)不到脫硝的效果，而且，將伴隨形成銨鹽的副反應(yīng)發(fā)生，導(dǎo)致催化劑的失效和后續(xù)設(shè)備的黏堵、腐蝕；如果反應(yīng)溫度太高,NH3容易被直接分解和氧化,在增加氨耗的同時還使生成NO的量增加,甚至引起催化劑材料的相變,導(dǎo)致催化劑的活性微晶燒結(jié)、損毀。

1.2.2 空速（SV）對脫硝反應(yīng)的影響

煙氣在SCR反應(yīng)器中的空塔速度是SCR的一個關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù), 它是折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的濕煙氣體積流量與SCR反應(yīng)器中催化劑體積的比值, 反映了煙氣在SCR反應(yīng)器內(nèi)的停留時間大小。煙氣的空塔速度越大，其停留時間越短。通常，SCR的脫硝效率將隨煙氣空塔速度的增大而降低?？账俣仁歉鶕?jù)SCR反應(yīng)器的布置、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。對于常用的高塵布置流程，歐洲經(jīng)濟(jì)委員會推薦空速值為2500～3500h-1。

1.2.3 摩爾比對NO轉(zhuǎn)換的影響

煙氣中NOx約占95%的為NO，理論上，lmol的NO需要1mol的NH3去脫除。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)平衡原理，NH3量不足會導(dǎo)致NOx的脫除效率降低，但在工程實(shí)踐中，NH3過量又會帶來NH3對環(huán)境的二次污染，故在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，恰當(dāng)?shù)腘H3/NOx摩爾比值應(yīng)根據(jù)原煙氣中NOx含量、要求的脫硝效率和氨逃逸量具體計(jì)算出來。

1.2.4催化劑的型式對SCR工藝的影響

催化劑是SCR工藝系統(tǒng)中的重要組成部分。催化劑的選擇不僅僅是針對反應(yīng)溫度的不同來選擇，并且要考慮煙氣特性、SCR裝置的壓降、布置的合理性等因素。當(dāng)前流行使用的催化劑有蜂窩式、波紋式和平板式等。平板式催化劑一般是以不銹鋼金屬網(wǎng)格為基材負(fù)載上含有活性成份的載體壓制而成；蜂窩式催化劑是把載體和活性成份混合物整體擠壓成型；波紋式催化劑是外形如起伏的波紋，形成許多小孔。當(dāng)前，各種型式的脫硝催化劑活性成分大多由V2O5和MoO3、WO3構(gòu)成，其性能參數(shù)的比較見表1。

表1 各種型式催化劑性能參數(shù)比較

2 德國STEULER公司煙氣脫硝工藝簡介

2.1 高粉塵布置的SCR工藝及其特點(diǎn)

圖1 SCR高粉塵布置的工藝流程圖

2.1.1優(yōu)點(diǎn)

⑴由于反應(yīng)溫度較高，可選擇的催化劑種類較多；

⑵相對于低粉塵布置和末端布置來說，省去了煙氣再熱系統(tǒng)，從而節(jié)省了投資和運(yùn)行成本；

⑶早已完成工業(yè)化運(yùn)用，并且已有20年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是目前火電廠煙氣脫硝廣泛采用的工藝。

2.1.2缺點(diǎn)

⑴由于粉塵濃度較高，所以粉塵對催化劑的沖刷和磨損較大；

⑵省煤器是與鍋爐本體相連的，對于大型的機(jī)組而言，SCR反應(yīng)器的重量比較大，所以一般要設(shè)置獨(dú)立的SCR反應(yīng)器的支撐鋼架，這就涉及到了鍋爐的重新調(diào)整和負(fù)荷重新計(jì)算的問題；

⑶煙氣中含有大量的SO2,催化劑可以使部分SO2氧化，生成難處理的SO3,并可能與煙氣中的氨生成腐蝕性很強(qiáng)的硫酸銨（或者硫酸氫銨）鹽物質(zhì)，容易腐蝕后續(xù)的空氣預(yù)熱器和靜電除塵器。

2.2 低粉塵布置的SCR工藝及其特點(diǎn)

圖2 SCR低粉塵布置的工藝流程圖

2.2.1優(yōu)點(diǎn)

⑴鍋爐煙氣經(jīng)過靜電除塵器之后，粉塵濃度降低，可以延長催化劑的使用壽命；

⑵與鍋爐本體獨(dú)立，不影響鍋爐的正常運(yùn)行；

⑶氨的泄漏量比高溫布置方式的泄漏量要少。

2.2.2缺點(diǎn)

⑴與高粉塵布置一樣，煙氣中含有大量的SO2,催化劑可以使部分SO2氧化，生成難處理的SO3,并可能與煙氣中的氨生成腐蝕性很強(qiáng)的硫酸銨（或者硫酸氫銨）鹽物質(zhì)；

⑵由于煙氣溫度較低（約140℃～160℃），可供選擇的催化劑種類較少；

⑶國內(nèi)尚無低溫催化劑的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，并且國外可供參考的工程實(shí)例也比較少。

2.3 SCR反應(yīng)器末端布置的工藝及其特點(diǎn)

圖3 SCR反應(yīng)器末端布置的工藝流程圖

2.3.1優(yōu)點(diǎn)

⑴鍋爐煙氣經(jīng)過除塵、脫硫后，可以采用更大煙氣流速和空速，從而使催化劑的消耗量大幅減少；

⑵氨的逃逸量相對最少，防止了二次污染，并且不會腐蝕設(shè)備、構(gòu)筑物（采用防腐煙囪）；

⑶不會產(chǎn)生SO3，及其帶來的危害。

2.3.2缺點(diǎn)

⑴一定要設(shè)置煙氣再熱系統(tǒng)，增加了投資和運(yùn)行成本；

⑵很難找到符合反應(yīng)條件的催化劑，難于付諸工程實(shí)施。

3 總結(jié)與展望

國家環(huán)?？偩钟?004年制訂的《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GBl3223—2004)中對火電廠NOx的排放做出了限制規(guī)定，且明確提出新建火電機(jī)組除滿足現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)外,須預(yù)留煙氣脫除氮氧化物裝置空間。相應(yīng)的《排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》從2004年7月1日起執(zhí)行。每當(dāng)量的氮氧化物征收排污費(fèi)0.6元（而原來是不收費(fèi)的）?，F(xiàn)在執(zhí)行的是經(jīng)修訂的這一標(biāo)準(zhǔn)的2010版本，其燃煤鍋爐氮氧化物（NOx）排放指標(biāo)為重點(diǎn)地區(qū)200mg/Nm3、非重點(diǎn)地區(qū)400mg/Nm3。

為適應(yīng)新形勢下環(huán)保工作的要求，2011年1月，新版《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（二次征求意見稿）發(fā)布，計(jì)劃2012年1月1日起實(shí)施。這次修訂，又將原標(biāo)準(zhǔn)中的氮氧化物排放限值再次降低了一倍。具體要求：所有新建火電機(jī)組NOx排放量不得超過100mg/ Nm3；并且從2014年1月1日起，要求重點(diǎn)地區(qū)所有火電投運(yùn)機(jī)組NOx排放量都要達(dá)到100mg/m3；非重點(diǎn)地區(qū)2003年以前投產(chǎn)的機(jī)組達(dá)到200mg/Nm3。這一限值嚴(yán)于歐盟（200mg/Nm3）和美國（135mg/Nm3）的現(xiàn)行排放標(biāo)準(zhǔn)。在“十二五”開局之年，大幅提高火電氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)，對環(huán)保產(chǎn)業(yè)未來的整體走勢給出新的信號，也為火電廠上馬煙氣脫硝工程提供了環(huán)保動力和壓力。

針對我國煙氣脫硝市場及技術(shù)，結(jié)合發(fā)達(dá)國家煙氣脫硝的經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議：

3.1 首先，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步完善煙氣脫硝的相關(guān)法律法規(guī)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，呼吁國家盡快出臺統(tǒng)一電廠脫硝電價補(bǔ)貼政策，降低企業(yè)運(yùn)行壓力，促進(jìn)煙氣脫硝的全面、快速開展。

3.2 對于煙氣脫硝技術(shù)的發(fā)展，可借鑒煙氣脫硫技術(shù)發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)立足于引進(jìn)消化國外先進(jìn)技術(shù)與自主開發(fā)相結(jié)合的原則，逐步實(shí)現(xiàn)工藝及相關(guān)設(shè)備的國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。

3.3 由于煙氣脫硝無論是市場還是技術(shù)在我國都顯得相當(dāng)薄弱，當(dāng)前氮氧化物的脫除也可以采取分步實(shí)施的方式，即首先采取低氮燃燒技術(shù)，最大限度抑制NOx的生成量，然后再酌情考慮上SNCR（或SCR）裝置，以降低項(xiàng)目投資。

3.4 加大科研力度。特別是加大低溫催化劑的開發(fā)研究和煙氣在SCR反應(yīng)器內(nèi)的溫度場、流場的分布模擬研究，切實(shí)提高單位投資的煙氣脫硝率。

3.5 煙氣同時脫硫脫硝凈化處理技術(shù)已成為各國控制火電廠煙氣污染的研發(fā)熱點(diǎn)，但目前因技術(shù)不成熟制約了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。對于我國而言，其主要技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)該是投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、效率高、產(chǎn)物資源化的高新技術(shù)，因此應(yīng)加快這類技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、經(jīng)濟(jì)化研究。

[1] 孫克勤, 鐘秦. 火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2007

[2] 陳進(jìn)生. 火電廠煙氣脫硝技術(shù)——選擇性催化還原法[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.