1  SCR法脫硝原理及特點(diǎn)

選擇性催化還原法（Selective  Catalytic  Reduc-tion，SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（如 NH3）“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O，目前已成為鍋爐煙氣NOx控制工程上應(yīng)用最多的一種煙氣脫硝技術(shù)。

在SCR法脫硝過(guò)程中，主要的化學(xué)反應(yīng)如下：

（1）4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

（2）6NO+4NH3→5N2+6H2O

（3）6NO2+8NH3→7N2+12H2O  

（4）2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

反應(yīng)式（1）為主要化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)所需的NH3/NOx比為化學(xué)計(jì)量關(guān)系。在不添加催化劑的條件下，較理想的上述NOx還原反應(yīng)溫度為800℃～900℃，但這一溫度范圍“很狹窄”。當(dāng)溫度在1050℃～1200℃時(shí)，NH3會(huì)氧化成NO，而且，NOx還原速度會(huì)很快降下來(lái)，當(dāng)溫度低于 800℃時(shí)，反應(yīng)速度很慢，此時(shí)需要添加催化劑，因此分為 SCR工藝和SNCR（選擇性非催化還原）工藝。

在SCR工藝中，催化劑安放在反應(yīng)器的箱體內(nèi)。催化劑單元通常垂直布置，煙氣由上向下流動(dòng)。該工藝具有NOx脫除效率高、二次污染小的特點(diǎn)，但其投資費(fèi)用及運(yùn)行成本較高，脫硝過(guò)程影響因素多，關(guān)鍵技術(shù)難度大，因此需要進(jìn)一步研發(fā)，降低其投資和運(yùn)行成本。

SCR工藝的反應(yīng)原理和典型工藝布置見(jiàn)圖1、圖2。

2  SCR法的催化劑

2.1  催化劑的種類及其失效原因

脫硝催化劑是SCR煙氣脫硝工藝的核心技術(shù)，其成本通常占脫硝裝置總投資的30%～50%。一般采用高溫催化劑，該催化劑以TiO2為載體，主要成分為 V2O5-WO3(MoO3)等金屬氧化物，這些成分占催化劑總量的99%以上，其余的微量組分根據(jù)鍋爐燃用的具體煤種添加。高溫催化劑具有較高的選擇性和脫硝效率，反應(yīng)溫度一般為300℃～400℃，如果沒(méi)有高溫催化劑，脫硝反應(yīng)在該溫度下幾乎不能進(jìn)行。

為了滿足脫硝反應(yīng)對(duì)溫度的要求，通常將SCR脫硝反應(yīng)器布置于鍋爐省煤器和空氣預(yù)熱器之間。由于該區(qū)域煙氣含塵量大，因此粉塵和其它組分將會(huì)對(duì)催化劑的性能產(chǎn)生以下影響：

（1）催化劑的磨蝕

催化劑的磨蝕由于飛灰撞擊催化劑表面而形成。磨蝕強(qiáng)度與氣流速度、飛灰特性、撞擊角度及催化劑本身特性有關(guān)。

（2）催化劑的堵塞

由于氨鹽及飛灰小顆粒沉積在催化劑小孔中，阻礙 NOx、NH3、O2到達(dá)催化劑活性表面，導(dǎo)致催化劑鈍化。

（3）砷中毒

由于煙氣中的氧化砷（As2O3）擴(kuò)散進(jìn)入催化劑，并在活性和非活性區(qū)域固化。砷中毒與催化劑的毛細(xì)孔濃度有關(guān)。

（4）堿金屬（Ca、Na、K等）中毒

堿金屬和催化劑表面的活性位接觸，致使催化劑活性降低。

催化劑失效的因素與煤種密切相關(guān)，而我國(guó)各地區(qū)煤炭的品質(zhì)差異很大（主要包括As、Ca、Na、K、 Mg、S、Cl等元素含量；灰分的含量和特性），這就需要針對(duì)煤種來(lái)設(shè)計(jì)催化劑的組分和結(jié)構(gòu)，以提高催化劑的適應(yīng)性。

開(kāi)發(fā)高效、性能穩(wěn)定的低溫催化劑，可以實(shí)現(xiàn)將 SCR反應(yīng)器布置在除塵器之后，消除高灰段布置引起的磨蝕等不良影響，減輕對(duì)相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)面影響，更好地與國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鍋爐系統(tǒng)匹配。低溫催化劑目前仍處于試驗(yàn)研究階段。

2.2  國(guó)內(nèi)外脫硝催化劑的生產(chǎn)現(xiàn)狀

從20世紀(jì)60、70年代開(kāi)始，日本就開(kāi)始研制脫硝催化劑，到80年代末，歐洲和美國(guó)也逐漸發(fā)展了高溫催化劑。其主要工序是將V2O5、TiO2等混合后擠出成型、干燥、燒結(jié)再進(jìn)行裁切、裝配等。

目前國(guó)外生產(chǎn)脫硝催化劑的主要廠家有，美國(guó)：康寧（Cormetech）；歐洲：托普索（Topsoe）、巴斯夫（Ceram）、亞吉隆 （Argillon）；日本：日立（Hi- tachi）、日本觸媒、觸媒化成、日立造船（Hitz）；韓國(guó)：SK。其中幾家單位的基本情況如下：

（1）Cormetech公司

該公司成立于1989年，是美國(guó)康寧（Corning）公司和日本三菱（Mitsibutshi）公司合資建立的企業(yè)，是 SCR煙氣脫硝催化劑的第一供應(yīng)商，全球應(yīng)用該公司產(chǎn)品的機(jī)組超過(guò)750臺(tái)。Cormetech的蜂窩式催化劑以大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量、工藝分析和現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試來(lái)保證其性能。

（2）巴布科克日立公司（BHK）

BHK于20世紀(jì)60年代開(kāi)始研發(fā)SCR脫硝系統(tǒng)和催化劑，并于70年代成功地將其產(chǎn)品投入了市場(chǎng)。應(yīng)用其產(chǎn)品的機(jī)組總量超過(guò)580套，其中燃煤電站機(jī)組應(yīng)用居世界第一，總量超過(guò)8萬(wàn)MW。

（3）丹麥哈德托普索公司

該公司由哈德托普索博士于1940年創(chuàng)立，致力于多種催化劑的科研、開(kāi)發(fā)及銷售，同時(shí)涉及技術(shù)專利轉(zhuǎn)讓、催化塔的工程和建設(shè)。

2.3  脫硝催化劑在SCR系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題催化劑是SCR系統(tǒng)中的主要部件，其成分組成、結(jié)構(gòu)、壽命及相關(guān)參數(shù)直接影響SCR系統(tǒng)脫硝效率及運(yùn)行狀況。

（1）投資費(fèi)用高

美國(guó)能源部提供的數(shù)據(jù)表明，催化劑的成本通常占總投資的20％以上。在日本等其他發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)于 600MW機(jī)組，如果要求脫硝效率為80％，則催化劑的成本要占總投資的35％～40％。根據(jù)對(duì)我國(guó)現(xiàn)有SCR系統(tǒng)運(yùn)行情況的調(diào)研可以看出，由于我國(guó)催化劑依賴進(jìn)口，加之在使用過(guò)程中還需定期更換部分催化劑，造成催化劑的成本占總投資的比例就更高了。因而催化劑依賴進(jìn)口成為我國(guó)火電廠推行SCR法的一個(gè)重要制約因素。

（2）催化劑的磨蝕、堵灰及中毒

SCR系統(tǒng)一般裝設(shè)在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，此區(qū)域煙氣中攜帶的大量煙塵會(huì)對(duì)催化劑表面造成磨蝕和產(chǎn)生堵灰現(xiàn)象。在SCR的運(yùn)行過(guò)程中，催化劑還受到堿金屬、水蒸汽、砷等物質(zhì)的長(zhǎng)期作用，會(huì)引起催化劑中毒。不論是催化劑的磨蝕、堵灰還是中毒，都是引起催化劑加速失效的重要原因。

（3）失效催化劑的處理

對(duì)于失效的催化劑，首先考慮的處理方式是催化劑的再生。催化劑的再生是把失去活性的催化劑通過(guò)浸泡洗滌、添加活性組分以及烘干的程序使催化劑恢復(fù)大部分活性。然而不是所有的失效催化劑都能夠通過(guò)再生方式回用。如果失效催化劑不采用再生的方法回用，那么就應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行廢棄處理。目前對(duì)于蜂窩式SCR催化劑，一般的處理方法是把催化劑壓碎后進(jìn)行填埋。填埋過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格遵照國(guó)家有關(guān)危險(xiǎn)固體廢物的填埋要求。對(duì)于板式催化劑，除填埋方式外，由于其中含有不銹鋼基材，還可以送至金屬冶煉廠進(jìn)行回收利用。

3  SCR法還原劑

3.1  還原劑的來(lái)源

在SCR系統(tǒng)中的還原劑是氨，因此穩(wěn)定、可靠的氨系統(tǒng)才能保證SCR系統(tǒng)的良好運(yùn)行。通常SCR還原劑有三種：液氨、氨水或尿素。三種SCR還原劑的比較見(jiàn)下表。

目前，日本和我國(guó)臺(tái)灣均采用液氨作還原劑，美國(guó)一般采用尿素，歐洲則由于地區(qū)不同對(duì)三種還原劑均有應(yīng)用。

3.2  還原劑在SCR系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

SCR系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，還原劑引起的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）運(yùn)行成本高

以國(guó)華太電2×600MW機(jī)組煙氣脫硝工程為例，該工程SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)脫硝效率為80％～90％，使用的還原劑為液氨，液氨的消耗量為412～464kg/h，液氨目前的市場(chǎng)價(jià)格（各地液氨市場(chǎng)價(jià)格有差異，本處取平均價(jià)格）在2500元/t左右，則SCR系統(tǒng)每小時(shí)消耗1100元左右的液氨，這對(duì)電廠來(lái)說(shuō)是一筆不小的運(yùn)行費(fèi)用。有資料顯示，液氨作為還原劑的脫硝成本最小，氨水和尿素作為還原劑的成本分別是液氨的1.5倍和1.8倍。

（2）安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

三種脫硝還原劑中，液氨和氨水都屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中都存在安全風(fēng)險(xiǎn)。尿素雖是無(wú)毒無(wú)害化學(xué)品，但在水解法制氨工藝中，要使用高壓轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，亦存在安全隱患。

三種脫硝還原劑在實(shí)際工程應(yīng)用中各有利弊，具體選用何種方式制氨，需要進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況以及考慮氨來(lái)源的可靠性和穩(wěn)定性來(lái)確定。

4  結(jié)語(yǔ)

綜上所述，SCR工程應(yīng)用的研究對(duì)于國(guó)內(nèi)燃煤污染物的控制而言，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，根據(jù)目前的評(píng)估，開(kāi)展此項(xiàng)目的預(yù)期效果和前景非常好。自主開(kāi)發(fā)的SCR脫硝工程技術(shù)將比引進(jìn)國(guó)外同類成套技術(shù)的成本大大降低，這將有利于SCR脫硝技術(shù)在國(guó)內(nèi)的商業(yè)化推廣和應(yīng)用，是未來(lái)解決NOx排放問(wèn)題的必需手段。

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