李浩陽 任建興 李芳芹 周虎飛

（上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 上海 201306）

火電廠排放的氮氧化物（NOx）對(duì)環(huán)境和人體健康危害很大，世界上煤電機(jī)組控制NOx排放的主要方式是安裝選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)。SCR 脫硝效率為70%～95%，影響效率的因素有很多，最基礎(chǔ)的是SCR 的布置問題。

1 火電廠控制NOx 排放

火電廠污染排放是指火電廠機(jī)組在運(yùn)行過程中各種排放物過量排放對(duì)環(huán)境的影響。污染物排放主要源于化石燃料的燃燒，主要有煙塵、SO2和NOx。在節(jié)能減排的政策下，煤電超低排放機(jī)組改造建造截至2021 年底占總裝機(jī)量的90%［1］。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的越來越嚴(yán)格和各種新型節(jié)能減排技術(shù)的應(yīng)用，污染物排放量也在逐年下降，但是NOx的排放治理相對(duì)比較緩慢，下降幅度比較小。

煤電機(jī)組燃料也就是煤燃燒產(chǎn)生的氮是鍋爐運(yùn)行過程中NOx的主要來源，占機(jī)組NOx排放總量的80%，減少這類NOx生成的方法有：使用低氮燃燒器、防止燃燒區(qū)受熱不均、縮短煙氣在燃燒區(qū)的停留時(shí)間、選用含氮量少的煤等［2］。

煤燃燒產(chǎn)生NOx是不可避免的，在燃燒側(cè)的降氮手段效率不高，需要配合燃燒后的煙氣脫硝手段?；鹆Πl(fā)電廠達(dá)到超低排放的方式主要為：安裝SCR 反應(yīng)器處理尾部煙氣中NOx的排放和爐膛前端配備低NOx燃燒器技術(shù)［2］。其中SCR 技術(shù)不同布置方式中存在的問題有：高溫高灰布置中催化劑的磨損、堵塞和中毒導(dǎo)致氨逃逸量增加，脫硝效率降低和堵塞空預(yù)器；高溫低灰布置中的飛灰顆粒粘結(jié)和高溫除塵器的應(yīng)用；低溫低塵布置中的低溫催化劑效率低而且投資、運(yùn)行成本高。

2 SCR 脫硝原理及系統(tǒng)流程

SCR 脫硝是目前最成熟也是應(yīng)用最多的煙氣脫硝凈化技術(shù)，是一種尾部煙氣脫硝方法。原理是利用尿素或氨水生成NH3，將NH3與空氣混合形成NH3體積含量為5%的混合氣體作為還原劑，在金屬催化劑作用下，選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)生成對(duì)環(huán)境沒有影響的N2和H2O，反應(yīng)器中的主要反應(yīng)過程見式（1）～（3）。

煙氣中的NOx在催化劑中的流程為：①煙氣中的NOx隨著混合NH3擴(kuò)散到催化劑外表面；②NOx與混合NH3從外表面滲入到內(nèi)表面；③NOx與混合NH3吸附到內(nèi)部催化劑反應(yīng)中心；④在反應(yīng)中心NOx被NH3催化還原成N2和H2O；⑤N2和H2O 在催化劑反應(yīng)中心脫附，隨煙氣流場流出SCR 反應(yīng)器。SCR 脫硝反應(yīng)原理如圖1 所示。

圖1 SCR 脫硝反應(yīng)原理圖

催化劑的投資占SCR 總投資的35%左右，作用是提高反應(yīng)速度，降低反應(yīng)過程中的活化能，使最適合反應(yīng)的溫度降至煙氣溫度（150～450 ℃）。在SCR 系統(tǒng)中使用的催化劑材料大多以TiO2為載體，以V2O5、V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性成分。催化劑的類型有蜂窩式、板式和波紋式3 種［4］。催化劑根據(jù)組成成分、元素含量的不同，適用的溫度也不一樣。在高溫（345～590 ℃）下適用的催化劑為高溫催化劑，高溫催化劑催化效率高，技術(shù)成熟，是流行使用SCR 高溫高灰布置的主要原因；適用溫度略低于高溫的（260～380 ℃）催化劑為中溫催化劑和適用于低溫（80～300 ℃）的低溫催化劑［5］。催化劑活性與脫硝效率密切相關(guān)，如果反應(yīng)溫度偏低，活性降低導(dǎo)致脫硝效率下降；如果反應(yīng)溫度偏高，一部分NH3在高溫下被氧化，選擇性降低，不與煙氣中NOx反應(yīng)導(dǎo)致效率下降。工程上常用氨逃逸量來表示催化劑壽命，隨著催化劑活性的降低，脫硝效率降低，氨逃逸量增加，NH3參與還原反應(yīng)量減小，當(dāng)氨逃逸量達(dá)到最大規(guī)定限度就需要更換維護(hù)催化劑。催化劑的壽命還會(huì)因?yàn)楦鞣N物理、化學(xué)因素的影響如堵塞、變形、燒結(jié)、腐蝕、積灰和金屬中毒等因素而下降［6］。

系統(tǒng)中常用尿素、氨水或純氨來制作還原劑NH3［7］。燃煤電廠中的制氨方法有3 種：純氨法、尿素水解法和尿素?zé)峤夥?。純氨法只需將液氨蒸發(fā)即可得到NH3，流程簡單，運(yùn)行溫度低，運(yùn)行投資費(fèi)用低；尿素水解法原理是尿素溶液在一定的溫度和壓力下，先生成中間產(chǎn)物，隨后分解生成NH3和CO2；尿素?zé)峤夥ㄊ悄蛩厝芤红F化后在高溫下直接受熱發(fā)生分解生成NH3［8］。

目前典型SCR 脫硝系統(tǒng)的工藝流程為：液氨以液態(tài)形式儲(chǔ)存運(yùn)輸，汽化后注入緩沖罐里平衡壓力，在混合器中與空氣混合稀釋，通過噴氨格柵噴入反應(yīng)器上游的煙氣中，與煙氣中的NOx在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)［9］。脫硝系統(tǒng)工作過程如圖2 所示。

圖2 SCR 流程圖

3 SCR 脫硝影響因素

煙氣脫硝效率是指煙氣脫硝裝置脫除的NOx量與原未經(jīng)脫硝的煙氣中所含NOx量之比的百分?jǐn)?shù)。SCR 脫硝過程中影響效率的因素有很多，其中主要因素有反應(yīng)溫度、氨氮摩爾比、空速、NOx濃度和接觸時(shí)間等。通過數(shù)學(xué)模擬600 MW 機(jī)組在不同條件下脫硝效率的變化規(guī)律如圖3 所示［10］。

圖3 不同因素對(duì)脫硝效率的影響

圖3（a）表示煙氣溫度對(duì)脫硝效率的影響。脫硝效率隨著煙氣溫度升高先增加后降低，在煙氣溫度400 ℃左右時(shí)達(dá)到最大。因?yàn)闄C(jī)組的高溫催化劑最佳反應(yīng)溫度為300～400 ℃［11］，溫度在最適溫度時(shí)，催化劑活性最大，脫硝效率最高；溫度較低時(shí)，催化劑活性未完全激發(fā)效率偏低；溫度較高時(shí)，催化劑失活會(huì)導(dǎo)致效率降低，溫度過高還會(huì)加速NH3氧化。

圖3（b）表示氨氮摩爾比對(duì)脫硝效率的影響。脫硝效率隨氨氮摩爾比的增大先增加后降低，在氨氮摩爾比為1.02 左右時(shí)達(dá)到最大值，表示NH3與NOx充分反應(yīng)。當(dāng)氨氮摩爾比偏小時(shí)，NH3噴入量較小導(dǎo)致NH3與NOx反應(yīng)不充分；當(dāng)氨氮摩爾比偏大時(shí)，NH3噴入量較大，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸量增加和NH3氧化反應(yīng)加大。

圖3（c）表示NOx濃度對(duì)脫硝效率的影響。脫硝效率隨NOx濃度的增加而單調(diào)下降。因?yàn)橄到y(tǒng)在氨噴入量不變的情況下，隨著反應(yīng)器入口煙氣中NOx濃度增加，部分NOx無法與NH3發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致脫硝效率下降。

圖3（d）表示空速對(duì)脫硝效率的影響。脫硝效率隨空速的增加而單調(diào)下降。因?yàn)榭账僭酱?，煙氣在反?yīng)器的停留時(shí)間越短，NOx與NH3發(fā)生催化還原反應(yīng)越不充分，導(dǎo)致脫硝效率下降。

圖3（e）表示接觸時(shí)間對(duì)脫硝效率的影響。脫硝效率隨接觸時(shí)間的增加先增加后降低，在200 ms 左右達(dá)到最大值。開始煙氣與催化劑的接觸時(shí)間越長，反應(yīng)越充分；接觸時(shí)間過長，會(huì)導(dǎo)致NH3氧化反應(yīng)和其他副反應(yīng)加大，脫硝效率下降。

鍋爐機(jī)組的負(fù)荷等其他因素也會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生影響。機(jī)組負(fù)荷的影響實(shí)際上是過量空氣系數(shù)、氧含量和溫度等多種因素的綜合影響。機(jī)組負(fù)荷與SCR 脫硝系統(tǒng)中的煙氣量相關(guān)，在噴氨量不變的情況下，負(fù)荷越大，煙氣量越多，脫硝效率減小；氧氣的含量影響爐內(nèi)燃燒，氧量增加，爐內(nèi)富氧燃燒，燃料中的熱力型NOx生成量增加，但隨著氧氣量的進(jìn)一步增加，爐內(nèi)的風(fēng)量過大導(dǎo)致溫度降低，熱力型NOx會(huì)有所減少；過量空氣系數(shù)影響煙氣的溫度，過量空氣系數(shù)增大，SCR 入口煙氣溫度升高，脫硝效率提高，但鍋爐的排煙溫度也會(huì)升高，排煙熱損失會(huì)增大導(dǎo)致鍋爐熱效率降低［12］。

4 SCR 系統(tǒng)反應(yīng)器不同布置影響脫硝效率因素

燃煤電廠SCR 系統(tǒng)設(shè)備可以放在鍋爐省煤器后面，也可放在電除塵器后面，還可放在煙氣脫硫裝置后。這3 種位置布置的SCR 系統(tǒng)設(shè)備分別稱為高溫高灰布置SCR 系統(tǒng)、高溫低灰布置SCR 系統(tǒng)和低溫低灰布置SCR 系統(tǒng)［13］。

高溫高灰布置也叫高含塵熱段布置，如圖4 所示。SCR 系統(tǒng)設(shè)備布置在省煤器后，空預(yù)器前。此處煙氣中的飛灰和SO2含量高，溫度為350 ℃左右，多數(shù)催化劑在這個(gè)反應(yīng)溫度下脫硝效率最高，因此這種布置在燃煤電廠超低排放的背景下被廣泛采用。由于飛灰含量高、顆粒大，所以會(huì)在系統(tǒng)中布置吹灰設(shè)備和應(yīng)用大孔徑催化劑，催化劑壽命長。

圖4 SCR 高溫高灰布置

高溫低灰布置也叫低含塵熱段布置，如圖5 所示。反應(yīng)器布置在除塵器之后，脫硫裝置前。煙氣經(jīng)過除塵器的溫度在325 ℃左右SO2含量高，飛灰含量低且無大顆粒飛灰，減少了對(duì)催化劑的堵塞磨損。缺點(diǎn)是系統(tǒng)中無吹灰設(shè)備，煙氣中的細(xì)小顆粒需要靜電除塵器去除，靜電除塵器在高溫?zé)煔庀逻\(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大；煙氣中的SO2含量高，無法用高活性催化劑，還會(huì)有硫酸氨和硫酸氫氨堵塞催化劑的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 SCR 高溫低灰布置

低溫低灰布置也叫冷段布置，如圖6 所示。反應(yīng)器布置在煙氣脫硫裝置后。煙氣流經(jīng)脫硫裝置溫度在80 ℃左右，無飛灰和SO2，催化劑壽命長，沒有污染和堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，可以安裝高活性的催化劑。缺點(diǎn)是煙氣沒有達(dá)到催化反應(yīng)所需溫度，需要加裝煙氣加熱裝置，大大增加脫硝運(yùn)行費(fèi)用。

圖6 SCR 低溫低灰布置

SCR 反應(yīng)器3 種不同布置的特點(diǎn)如表1 所示。

表1 SCR 反應(yīng)器布置方式的性能對(duì)比

空速是煙氣體積流量與催化劑體積之比，代表煙氣的停留時(shí)間，煙氣的空速越小，其停留時(shí)間越短，脫硝效率越高；煙氣中的SO2會(huì)轉(zhuǎn)化成SO3與NH3生成NH4HSO4，NH4HSO4在高溫高灰布置的SCR 系統(tǒng)會(huì)堵塞后方空預(yù)器，影響脫硝效率；煙氣中的高溫飛灰對(duì)催化劑影響很大，會(huì)導(dǎo)致催化劑積灰、沖蝕、堵塞、磨損，飛灰中含的重金屬還會(huì)導(dǎo)致催化劑中毒從而影響脫硝效率；煙氣溫度與催化劑的活性密切相關(guān)，大部分高效的高溫催化劑在300～430 ℃時(shí)效率最高。

5 結(jié)論

（1）高溫高灰布置在SCR 反應(yīng)器3 種布置方式中優(yōu)勢明顯，系統(tǒng)中進(jìn)入催化劑的煙氣溫度為300～425 ℃，適合大多數(shù)催化劑高效運(yùn)行而且應(yīng)用的大孔徑蜂窩式催化劑性能優(yōu)異，可以在較低的煙氣流速下運(yùn)行，所以高溫高灰布置的SCR 系統(tǒng)的脫硝效率最高，被廣泛應(yīng)用于燃煤電站鍋爐。

（2）高溫低灰布置系統(tǒng)的煙氣在進(jìn)入SCR 反應(yīng)器前經(jīng)過高溫除塵器除塵，反應(yīng)器內(nèi)無吹灰清掃系統(tǒng)，需要較高的煙氣流速來吹掃煙氣所含的細(xì)灰顆粒，導(dǎo)致脫硝效率低于高溫高灰布置系統(tǒng)，而且高溫除塵器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大，投資較高。

（3）低溫低灰布置的低溫催化劑脫硝效率在70%左右，不適合燃煤電廠超低排放，多用于燃?xì)廨啓C(jī)和垃圾焚燒場的脫硝系統(tǒng)。