摘 要：氮氧化物造成的大氣污染日益嚴(yán)重，目前燃煤電廠普遍采用SCR技術(shù)進(jìn)行脫硝。文章著重介紹了SCR煙氣脫硝效率的影響因素，其主要影響因素為：催化劑、反應(yīng)溫度、空間速度、反應(yīng)時(shí)實(shí)際摩爾比、反應(yīng)物混合程度等。

關(guān)鍵詞：大氣污染；SCR催化劑；反應(yīng)溫度；空速；反應(yīng)物摩爾比；混合程度；氨逃逸率

能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在過去的十多年里，傳統(tǒng)的礦物燃料仍將是很長一段時(shí)間內(nèi)能有生產(chǎn)和消費(fèi)的主體，尤其在我國，煤炭約占一次能源的70%，在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，煤炭作為能源主體的地位不會(huì)改變，而能源開發(fā)利用所造成的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。我國能源結(jié)構(gòu)目前仍以化石燃料為主，尤其是煤炭為主，而煤炭的最主要用途就是發(fā)電，我國燃煤發(fā)電只要是通過直接燃燒的方式。煤炭燃燒產(chǎn)生大量的煙塵、硫氧化物、氮氧化物、汞等重金屬氧化物，以及大量二氧化碳?xì)怏w。這些污染物排入大氣，已經(jīng)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，是我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問題。目前在燃煤電站煙塵及硫氧化物排放的控制方面，通過靜電除塵和濕法脫硫等技術(shù)得到了有效的解決，截至2010年底電廠脫硫機(jī)組容量達(dá)到5.65億kW，占火電容量比例的80%。

氮氧化物是繼二氧化硫之后燃煤發(fā)電污染物治理的重點(diǎn)，據(jù)測(cè)算，我國2011年氮氧化物排放量為2404.3萬t，比2010年上升5.73%，而我國氮氧化物的環(huán)境容量只有1800萬t。截至2011年底，全國脫硝設(shè)施通過環(huán)保驗(yàn)收的燃煤機(jī)組月1億kW，約占煤電裝機(jī)總量的16%，隨著新的國家火電廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的頒布，火電廠煙氣脫硝裝置在未來一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)大幅度增長。而選擇性催化還原（SCR）技術(shù)由于技術(shù)的成熟和較高的脫硝效率，已成為國際上電廠煙氣脫硝的主流技術(shù)，SCR技術(shù)在我國已逐步開始大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

在SCR反應(yīng)過程中，加氨（NH3）通過催化劑作為媒介可以把NOx轉(zhuǎn)化為空氣中天然含有的氮?dú)猓∟2）和水（H2O）。主要的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

6NO+4NH3→5N2+6H2O

6N2+8NH3→7N2+12H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

1 反應(yīng)溫度

反應(yīng)溫度不僅決定反應(yīng)物的反應(yīng)速度，而且決定催化劑的反應(yīng)活性。一般來說，反應(yīng)溫度越高，反應(yīng)速度越快，催化劑的活性也越高，這樣單位反應(yīng)所需的反應(yīng)空間小，反應(yīng)器體積變小。

NOx的還原反應(yīng)只有在特定的溫度區(qū)間才會(huì)有效。SCR過程使用的催化劑降低了NOx還原反應(yīng)最大化要求的溫度區(qū)間。在指定溫度區(qū)間以下，反應(yīng)動(dòng)力降低。超出此溫度范圍，會(huì)生成N2O等，并且存在催化劑燒結(jié)、鈍化。

在SCR系統(tǒng)中，最適宜的溫度取決于過程中使用的催化劑類型和煙氣成分。對(duì)于絕大多數(shù)商業(yè)催化劑，SCR過程適宜的溫度范圍可達(dá)到250～420℃，不同的催化劑廠商有一定的差異。

2 停留時(shí)間和空速

停留時(shí)間是反應(yīng)物在反應(yīng)器中與NOx進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間。停留時(shí)間長，通常NOx脫除效率高。溫度也影響所需的停留時(shí)間，當(dāng)溫度接近還原反應(yīng)的最佳溫度，所需的停留時(shí)間減少。停留時(shí)間通常表示成空間速度（Space Velocity）?？臻g速度是SCR的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，它是煙氣在催化劑容積內(nèi)的停留時(shí)間尺度，即停留時(shí)間的倒數(shù)。它在某種程度上決定反應(yīng)物是否完全反應(yīng)，同事也決定著反應(yīng)器催化劑骨架的沖刷和煙氣的沿程阻力。

空間速度大，煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間短，則反應(yīng)有可能不完全，這樣氨的逃逸量就大，同時(shí)煙氣對(duì)催化劑骨架的沖刷也大，對(duì)于固態(tài)排渣爐高灰段布置的SCR反應(yīng)器，空間速度一般選擇2500～3500h-1?？臻g速度通常是根據(jù)SCR反應(yīng)塔的布置、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。

3 實(shí)際的n（NH3）/n（NOx）

根據(jù)SCR反應(yīng)化學(xué)方程式，對(duì)于n（NH3）/n（NOx）理論上應(yīng)為1。在脫除效率達(dá)到85%之前，NH3和脫除的NOx量之間有1：1的線性關(guān)系，但在效率85%以上時(shí)，脫除效率開始穩(wěn)定，要得到更高的效率需要比理論值更多的氨量。這歸因于工NOx中以NO2形式存在的部分，以及反應(yīng)率的限度。典型的SCR系統(tǒng)采用每摩爾NOx1.05mol氨的化學(xué)當(dāng)量比。然而在工程實(shí)踐中如果加入過多的氨，由于煙氣經(jīng)過空氣預(yù)熱器溫度迅速下降， 多余的NH3會(huì)與煙氣中的SO2和SO3等反應(yīng)形成銨鹽，導(dǎo)致煙道積灰與腐蝕。另外，NH3吸附在煙氣飛塵中，會(huì)影響電除塵器所捕獲粉煤灰的再利用價(jià)值，氨泄漏到大氣中又會(huì)對(duì)大氣造成新的污染。典型的SCR系統(tǒng)采用n（NH3）/n（NOx）為1.05。

4 混合程度

SCR工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是達(dá)到NH3與NOx的最佳的湍流混合。因此，脫硝反應(yīng)物必須被霧化并與煙氣盡量混合，以確保與被脫除反應(yīng)物有足夠的接觸?；旌嫌蓢娚湎到y(tǒng)通過向煙氣中加壓的氣態(tài)氨完成。噴射系統(tǒng)控制噴入反應(yīng)物的噴入量、噴射角、速度和方向。一般系統(tǒng)用蒸汽或空氣作為載氣，用以增加穿透煙氣的能力。

煙氣和氨在進(jìn)入SCR反應(yīng)器之前進(jìn)行混合，如果混合不充分，NOx還原效率降低，SCR設(shè)計(jì)必須在氨噴入點(diǎn)和反應(yīng)器入口有足夠的管道長度來實(shí)現(xiàn)混合?；旌蠒r(shí)還可通過以下幾點(diǎn)進(jìn)行改善：

（1）在反應(yīng)器上有安裝靜態(tài)混合器。

（2）提高給予噴射流體的能量。

（3）提高噴射器的數(shù)量或噴射區(qū)域。

（4）修改噴嘴設(shè)計(jì)來改善反應(yīng)物的分配、噴射角和方向。

5 催化劑的選擇

SCR煙氣脫硝技術(shù)的關(guān)鍵是選擇優(yōu)良的催化劑。SCR催化劑應(yīng)具有活性高、抗中毒能力強(qiáng)、機(jī)械強(qiáng)度和耐磨損性能好、具有合適的操作溫度區(qū)間等特點(diǎn)。SCR催化劑可以根據(jù)原材料、結(jié)構(gòu)、工作溫度等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行不同的分類。

5.1 SCR催化劑根據(jù)原材料分為貴金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、分子篩催化劑、碳基催化劑等。在SCR 技術(shù)中常用的為金屬氧化物催化劑，同時(shí)該種技術(shù)也較為成熟。金屬氧化物有V2O5，F(xiàn)e2O5，CuO，CrOx，MnOx，MgO和NiO等。在眾多的金屬氧化物催化劑中研究和應(yīng)用最多的是V2O5/TiO2，V2O5-WO3/TiO2或V2O5-WO3/TiO2，這些催化劑被用于300～400℃的傳統(tǒng)SCR 裝置中，具有較高的催化活性。單一金屬氧化物型催化劑還原NO活性不高，高溫下不穩(wěn)定。復(fù)合金屬氧化物經(jīng)組成、結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)和控制，通過穩(wěn)定一些活性物質(zhì)，催化活性可得到明顯改善。其中常用的方法是將氧化物活性組分通過浸漬負(fù)載到氧化物載體上。復(fù)合金屬氧化物的表面經(jīng)活化處理，還具有較高的熱穩(wěn)定性。

因此，目前工程中應(yīng)用的SCR催化劑有非負(fù)載型金屬氧化物催化劑、以TiO2為載體的金屬氧化物催化劑和以A12O3、ZrO2，SiO2等為載體的金屬氧化物催化劑。其中，傳統(tǒng)的負(fù)載型金屬氧化物催化劑主要以V2O5為主劑，以MoO3、WO3和MoO3為輔劑構(gòu)成的復(fù)合氧化物作為活性成分。但是，這些催化劑需要的起活溫度較高，在低溫范圍大都活性較低，故很難達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求。

5.2 催化劑結(jié)構(gòu)型式可分為三種：板式、蜂窩式和波紋板式。三種催化劑在燃煤SCR上都擁有業(yè)績(jī)，其中板式和蜂窩式較多，波紋板式較少。催化劑的設(shè)計(jì)就是要選取一定反應(yīng)面積的催化劑，以滿足在省煤器出口煙氣流量、溫度、壓力、成份條件下達(dá)到脫硝效率、氨逃逸率等。

SCR基本性能的設(shè)計(jì)要求；在灰分條件多變的環(huán)境下，其防堵和防磨損性能是保證SCR設(shè)備長期安全和穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在防堵灰方面，對(duì)于一定的反應(yīng)器截面，在相同的催化劑節(jié)距下，板式催化劑的通流面積最大，一般在85%以上，蜂窩式催化劑次之，流通面積一般在80%左右，波紋板式催化劑的流通面積與蜂窩式催化劑相近。在相同的設(shè)計(jì)條件下，適當(dāng)?shù)倪x取大節(jié)距的蜂窩式催化劑，其防堵效果可接近板式催化劑。三種催化劑以結(jié)構(gòu)來看，板式的壁面夾角數(shù)量最少，且流通面積最大，最不容易堵灰；蜂窩式的催化劑流通面積一般，但每個(gè)催化劑壁面夾角都是90°直角，在惡劣的煙氣條件中，容易產(chǎn)生灰分搭橋而引起催化劑的堵塞；波紋板式催化劑流通截面積一般，但其壁面夾角很小而且其數(shù)量又相對(duì)較多，為三種結(jié)構(gòu)中最容易積灰的版型。

5.3 根據(jù)催化劑的適宜溫度范圍，SCR催化劑可分為高溫催化劑、中溫催化劑和低溫催化劑，其溫度分別為：

高溫催化劑：345～590℃

中溫催化劑：260～380℃

低溫催化劑：80～300℃

目前，國內(nèi)外SCR系統(tǒng)大多采用高溫催化劑，反應(yīng)溫度在315℃～400℃。

6 氨逃逸

氨逃逸是指過量的反應(yīng)物通過反應(yīng)器排放到煙氣中。這樣一來，煙氣中的氨會(huì)引起很多問題，包括健康影響、煙囪排煙的可見度、飛灰的出售和硫酸銨的生成等。因此，工程公司在進(jìn)行SCR設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)進(jìn)行嚴(yán)格限制，一般要求在3ppm以下。

當(dāng)SCR系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，氨逃逸不會(huì)持續(xù)不變，催化劑活性降低時(shí)逃逸量就會(huì)增加。設(shè)計(jì)合理的SCR系統(tǒng)要求運(yùn)行在接近理論化學(xué)量比時(shí)提供足夠的催化劑量，以便維持較低的氨逃逸水平，約為2～3ppm。目前已經(jīng)有可靠的氨逃逸監(jiān)測(cè)儀器，但是相當(dāng)一部分還達(dá)不到商業(yè)運(yùn)用的水平。一種量化氨逃逸的方法是測(cè)定收集飛灰中氨的濃度，是一種實(shí)際可行的方法。

以上粗淺分析了SCR脫硝效率的主要影響因素，SCR脫硝效率同時(shí)還與SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)的流場(chǎng)分布等性能值有很重要的關(guān)系，僅闡述在工藝運(yùn)行中的主要影響因素。

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作者簡(jiǎn)介：周士朋，男，專業(yè)：火電廠輔控，職稱（職務(wù)）：助理工程師。