scR烟气脱硝技术在燃煤电厂中的应用

【摘要】SCR烟气脱硝技术是一种脱硝效率较高的烟气中NOx处理技术，随着国家NOX排放标准的不断加严，近年来大型燃煤电厂普遍采用SCR脱硝技术，取得到较好的效果。本文介绍了SCR工艺原理、催化剂及还原剂类型及特点、影响脱硝效率的因素，通过某燃煤电厂采用此工艺的成功应用，阐述了SCR烟气脱硝技术的实际应用价值。

【关键词】选择性催经还原法（SCR）；催化剂；脱硝效率；氨逃逸

随着大气污染防治行动计划的推进，要求火电行业在2018年底前必须全部完成超低排放改造，到期未完成改造的，坚决予以关停淘汰[5]。超低排放要求，即烟气中各类污染物排放浓度符合《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）表2燃气轮机组特别排放限值，以燃煤电厂排放烟气中NOx实现超低改造为例，即要求NOx排放浓度小于50mg/m3[1]。目前燃煤电厂多采用SCR、SNCR脱硝技术，但从大部分工程实例来看，想要实现NOx排放浓度小于50mg/m3的超低排放要求，采用SCR技术更为可靠。本文从某燃煤电厂采用SCR脱硝工艺处理烟气中氮氧化物实现超低排放的实际应用，探讨了SCR脱硝技术在燃煤电厂烟气处理中的应用及效果。

1、SCR工艺原理

选择性催化还原SCR烟气脱硝技术是上世纪七十年代末八十年代初首先由日本发展起来的，即在催化剂的作用下NH3可以选择性地和NOx反应生成N2和H2O，其基本反应方程式为：4NO+4NH3+O2，6H2O+4N2，6NO2+8NH3，12H2O+7N2

上面第一个反应是主要的，因为烟气中几乎95%的NOx是以NO的形式存在。另外，由于烟气成分的复杂性和氧的存在，伴随着NH3对NOx还原的主反应还会发生一系列副反应并生成相应产物。可以作为SCR反应还原剂的有NH3、CO、H2，还有甲烷、丙烷、丙烯等，以氨作为还原剂的时候，NO的脱除效率最高。

2、SCR装置布置方式

SCR工艺有几种不同的布置方式：高温高尘布置、高温低尘布置以及低温低尘布置。

高温高尘SCR系统：在这种方式中，SCR布置在省煤器的下游、空气预热器和除尘装置的上游。在这一位置布置，一般采用金属氧化物催化剂。这种方式布置的优点是进入反应器的烟气温度达300-500℃，温度通常处于SCR反应的最佳温度区，多数催化剂在此温度范围内有足够的活性，烟气不需加热，可获得较好的NOx净化效果。但催化剂处于高尘烟气中，寿命会受下列因素影响：飞灰中K、Na、Ca、Si、As会使催化剂污染或中毒；飞灰磨损反应器并使蜂窝催化剂堵塞；若烟气温度过高会使催化剂烧结或失效。

高温低尘SCR系统：此种布置是将静电除尘器布置在SCR系统前面，以防止烟气中飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损和堵塞。在设计峰窝状催化剂的时候，催化剂的孔间距可以缩小到4-7mm，这样可以减小催化剂的体积。同时，与高温高尘SCR系统相比，具有低成本、催化剂寿命长的优点。其缺点是当烟气通过ESP之后温度有所下降，虽然烟气温度通常不会下降到需要重新进行加热的温度点，但可能需要增加省煤器旁路和尺寸，以保证温度维持在SCR系统所需要的最佳温度区间范围之内。

低温低尘SCR系统：通常将SCR反应器布置在所有的气体排放控制设备之后，包括颗粒物控制设备和湿法烟气脱硫。在欧洲和日本早期建造的燃煤锅炉电站系统中，通常采用此种布置。在前面的气体控制设备中，已经除去了绝大多数对SCR催化剂有害的组分，催化剂不会受飞灰和SO3等气态毒物的影响，但由于烟温较低，一般需要对烟气再加温，使烟温提高到催化剂的活化温度，势必增加能源消耗和运行费用。

目前，普遍采用高温高尘布置方式。

3、常用还原剂类型

SCR所用还用剂有三类：液氨、氨水、尿素。采用液氨作为还原剂时，其设备包括：卸料压缩机、储氨罐、液氨蒸发槽、氨气缓冲罐、氨气稀释槽、废水池、废水泵和氮气瓶储存室等，还原剂制备储存设施宜在脱硝装置附近集中布置，称为氨区，氨区须有可靠的安全防护设施，如气体浓度检测报警装置、防雷防静电装置、相应的消防设施、急救设备、应急泄漏处理设备等。采用氨水作为还原剂，其浓度约20-29%，较液氨相对安全。采用尿素作为还原剂时尿素需要经过热解或水解来制得NH3，从而增加系统的能耗及运行费用。从还原剂的输送及贮存、安全性能等多方面综合考虑，目前大多采用尿素作为还原剂。

4、SCR系统催化剂

SCR法工艺的核心是催化剂，理想的催化剂应具有以下几点：有较高的NOx选择性；在较低的温度下和较宽的温度范围内，具有较高的催化活性；具有较好的热稳定性、化学稳定性、机械稳定性；费用合理[3]。催化剂主要有三类：以Pt-Rh和Pd等贵金属为活性组分的催化剂，以金属氧化物作为活性成分的金属氧化物催化剂，沸石分子筛催化剂。最常用的是金属氧化物催化剂，如V2O5（WO3）、Fe2O3、CuO、NiO等金属氧化物，载体主要为TiO2、Al2O3、SiO2等[2]。催化剂一般有平板式、波纹板式和蜂窝状三类，平板式催化剂采用钢板作为骨架，表面涂敷活性催化剂层，相对重量轻，比表面积小，和波纹状及峰窝状催化剂相比所处理相同烟气量，体积较大；峰窝状催化剂具有足够的强度，同时具有表面和深层催化作用，孔隙率高，强度高，磨损不易导致催化剂剥离、散失，催化剂很难失效；波纹板式催化剂活性物质利用率高，体积小，重量轻，密度小，但易堵塞，不耐磨损，寿命短。目前国内外电厂锅炉多采用峰窝状催化剂。

5、影响SCR脱硝效率的因素

影响SCR系统脱硝效率的主要因素包括反应温度、氨氮摩尔比（NH3/NOX）、烟气含尘量、氨逃逸率、反应时间等。（1）反应温度 对NOx脱除效率有较大的影响，在SCR过程中温度的影响存在两种趋势，一方面温度升高使脱氮反应速率增加，使NOx脱除效率升高；另一方面温度升高NH3氧化反应开始发生，使NOx脱除效率下降；一般烟气温度控制在320-400℃，过高或过低的温度都会导致催化剂无法正常起到催化作用，致使脱硝效率降低。（2）氨氮摩尔比 NOx脱除效率随着氨氮摩尔比增加而增加，当氨氮摩尔比小于1时，其影响更加明显，若NH3投入量超过需要量，NH3氧化等副反应的反应速率将增大，从而降低了NOx脱除效率，同时氨逃逸增大，造成二次污染，在SCR工艺中，一般控制氨氮摩尔比在1.2以下[3]。（3）反应时间 烟气与催化剂接触时间越长，脱硝效率越高，这主要是由于反应气体与催化剂的接触时间增大，有利于反应在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散，从而使NOx脱除效率提高，但是，若接触时间过长，NH3氧化反应开始发生，使NOx脱除效率下降。（4）入口烟气含尘量 在燃煤锅炉排烟脱硝系统中，由粉尘带来的脱硝系统操作恶化主要体现在三个方面：堵塞催化剂单元，使压损增大；粉塵中含有的碱分以及其他有害物质覆盖在催化剂表面，可能引起催化剂中毒；随着烟气中含尘量的增加，对催化剂单元的磨损加剧。（5）氨逃逸率 残余NH3对系统产生影响，主要是与烟气中SO2、SO3共同作用的结果，生成带有较强腐蚀性的物质，导致催化剂模块本身以及下游空气预热器的腐蚀加剧，SCR反应器出口氨逃逸率必须控制在小于3ppm的范围内[2]。（6）SO2/SO3转化率 如果SCR脱硝反应发生在含有SO2的烟气中，SO2会转化为SO3， 这一反应对于SCR脱硝反应是非常不利的，因为SO3可以和烟气中的水以及NH3反应，从而生成硫酸氨和硫酸氢氨，而这些氨盐沉积在催化剂表面使催化剂失去活性，同时对下游空气预热器产生堵塞。

6、烟气SCR脱硝技术应用实例

以我市一家燃煤电厂烟气脱硝技术为例，该电厂采用SCR脱硝，还原剂为尿素，催化剂为钒钛系蜂窝状金属氧化物类催化剂，采用高温高尘布置，即：从尿素储存和制备系统制得的氨气送至氨/空气混合器与空气混合，混合后的气体再送至SCR反应器内与烟气中的氮氧化物在催化条件下反应，从而达到去除氮氧化物的目的，脱硝后的烟气经空预器后进入静电除尘器再去石灰石-石膏法脱硫塔脱除SO2，再进入湿式电除尘进一步除尘除雾后从烟囱排出，采用此工艺处理后的烟气中烟尘≤5mg/m3，SO2≤35mg/m3，NOx≤50mg/m3，满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）燃气轮机组特别排放限值，实现了超低排放目标。

7、结语

通过大量燃煤电厂锅炉脱硝工艺对比，在各种脱硝技术中，SCR脱硝效率最高，可达90%以上，工艺参数正常运行情况下NOx排放浓度可以稳定低于50 mg/m3，污染物去除效率好，满足国家排放标准要求。其缺点是价格昂贵，投资和运行费用均较高。但从长远发展来看，SCR脱硝技术应该是我国烟气脱硝的基本技术，对于目前严格的环保排放标准，应首选SCR烟气脱硝技术。

参考文献：

[1] 《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），环境保护部，2011.7

[2] 《火电厂氮氧化物防治技术政策》，环境保护部，2010.1

[3] 注册环保工程师专业考试复习教材 中国环境科学出版社

[4] 钏秦，燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M]. 北京：化学工业出版，2002

[5] 火电厂锅炉烟气脱硝提标改造项目竣工验收监测报告 银川市环境监测站 2017

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