0　 引言

燃煤電廠在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的粉塵、SOx 、 NOx和有害金屬元素等[ 1 ] 。目前 ,我國對于燃燒產(chǎn)生的 NOx控制方法主要有燃燒前控制、 燃燒中控制和燃燒后控制三類[ 2 - 3 ] 。燃燒前控制是指選用低氮燃料 ,但成本很高 ,工程應(yīng)用較少。燃燒中控制是指改進(jìn)燃燒方式和生產(chǎn)工藝 ,采用低 NOx 燃燒技術(shù) , 降低爐內(nèi) NOx 生成量 ,該方法費(fèi)用較低 ,但由于爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)的局限性 ,使得 NOx的控制效果不能令人滿意。燃燒后控制是指在煙道尾部加裝脫硝裝置 ,將煙氣中的 NOx 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的 N2 或有用的肥料。由于煙氣脫硝的 NOx 脫除率高 ,運(yùn)行簡單 , 因此 ,探求技術(shù)上先進(jìn) ,經(jīng)濟(jì)上合理的煙氣脫硝技術(shù)將成為我國控制 NOx排放工作的重點(diǎn)。

煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法 ( SCR)、 非選擇性催化還原法 (NSCR)、 選擇性非催化還原法 ( SNCR)、 臭氧氧化吸收法、 活性炭聯(lián)合脫硫、 脫硝法等。由于 SCR法脫硝效率高達(dá) 90%以上 ,運(yùn)行可靠 ,是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多且最為成熟的煙氣脫硝技術(shù)之一。

SCR煙氣脫硝技術(shù)的發(fā)明權(quán)屬于美國 ,而日本率先于 20世紀(jì) 70年代將其實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化[ 5 ] 。目前 ,這一技術(shù)在歐洲、 日本、 美國等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)資料統(tǒng)計(jì) ,到 2004年為止 ,全世界應(yīng)用 SCR煙氣處理技術(shù)的電站燃煤鍋爐容量超過 178 . 1G W。我國 SCR技術(shù)的研究始于 20世紀(jì) 90年代。據(jù)統(tǒng)計(jì) ,目前我國在建的脫硝項(xiàng)目超過 14個(gè) ,脫硝機(jī)組容量在 11 400MW以上, 其中采用 SCR技術(shù)的項(xiàng)目約占在建脫硝項(xiàng)目總?cè)萘康?70%?？梢?,我國正處于 SCR煙氣脫硝的示范階段 ,因此 ,對 SCR工藝進(jìn)行深入研究 ,對我國脫硝技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

1　SCR反應(yīng)原理

SCR是指將氨、 烴類等還原劑噴入煙氣中 ,利用催化劑將煙氣中的 NOx轉(zhuǎn)化為 N2和 H2O。在氨選擇催化反應(yīng)過程中 ,NH3可以選擇性地與 NOx發(fā)生反應(yīng) ,而不是被 O2 氧化 ,因此 ,反應(yīng)被稱為“選擇性 ” 。主要反應(yīng)式如下:

鍋爐煙氣中的大部分 NOx 均以 NO的形式存在 , NO2 約占 5% ,影響并不顯著。所以 ,以反應(yīng)(1)、(2)為主。反應(yīng)原理如圖1所示。

由于氨具有揮發(fā)性 ,很有可能逃逸。此外 ,在反應(yīng)條件改變時(shí) ,還可能發(fā)生氨的氧化反應(yīng):

由于反應(yīng)溫度的改變 , SCR催化劑同時(shí)也會將煙氣中的 SO2 氧化為 S O3 , SO3 又能與逃逸的氨繼續(xù)發(fā)生如下副反應(yīng):

2　 布置方式和工藝流程

2 . 1　 布置方式

SCR反應(yīng)器可以安裝在鍋爐之后的不同位置 , 即高溫高塵、 高溫低塵及低溫低塵布置三種形式。高溫高塵布置方式是將 SCR反應(yīng)器布置在省煤器和空預(yù)器之間 ,其優(yōu)點(diǎn)是催化反應(yīng)器處于 300～400℃溫度區(qū)間 ,有利于反應(yīng)的進(jìn)行。但是 , 由于催化劑處于高塵煙氣中 ,條件惡劣 ,磨刷嚴(yán)重 , 壽命將會受到影響。高溫低塵布置方式是將 SCR 反應(yīng)器布置在空預(yù)器和高溫電除塵器之間 ,該布置方式可防止煙氣中飛灰對催化劑的污染和對反應(yīng)器的磨損與堵塞 ,其缺點(diǎn)是在 300～400℃的高溫下 , 電除塵器運(yùn)行條件差。低溫低塵布置 (或稱尾部布置)方式是將 SCR反應(yīng)器布置在除塵器和煙氣脫硫系統(tǒng)之后 ,催化劑不受飛灰和 SO2影響 ,但由于煙氣溫度較低 ,僅為 50～60℃,一般需要用 GGH或燃燒器將煙氣升溫 ,能耗和運(yùn)行費(fèi)用增加。

由于省煤器與空預(yù)器之間的煙溫剛好適合 SCR 脫硝還原反應(yīng) ,氨被噴射于省煤器與 SCR反應(yīng)器間煙道內(nèi)的適當(dāng)位置 ,使其與煙氣充分混合后在反應(yīng)器內(nèi)與 NOx反應(yīng) ,脫硝效率可達(dá) 80%以上 ,因此 ,高溫高塵布置是目前應(yīng)用最廣泛的布置方式。

2 . 2　 工藝流程

SCR系統(tǒng)一般是由氨儲存系統(tǒng)、 氨 /空氣噴霧系統(tǒng)、 催化反應(yīng)器系統(tǒng)、 省煤器旁路、 SCR旁路、 檢測控制系統(tǒng)等組成。首先 ,液氨由液氨罐車運(yùn)送到液氨儲罐 ,輸出的液氨經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)成氨氣 ,再將其加熱到常溫后送入氨緩沖槽中備用。運(yùn)行時(shí) ,將緩沖槽的氨氣減壓后送入氨 /空氣混合器中 ,與空氣混合后進(jìn)入煙道內(nèi)的噴氨格柵 ,噴入煙道后再通過靜態(tài)混合器與煙氣充分混合 ,繼而進(jìn)入到 SCR反應(yīng)器中。工藝流程如圖 2所示。

3　SCR反應(yīng)的影響因素

3.1　 催化劑

3.1.1　 催化劑的種類

不同的 SCR催化劑具有不同的活性和物理性能。按照活性組分不同 , SCR催化劑可分為金屬氧化物、 碳基催化劑、 分子篩催化劑和貴金屬催化劑。目前 ,應(yīng)用較多的是金屬氧化物催化劑。經(jīng)研究表明 , Ti O2具有較高的活性和抗 SO2氧化性; V2O5表面呈酸性 ,容易與堿性的氨發(fā)生反應(yīng) ,并能在富氧環(huán)境下工作 ,工作溫度低 ,抗中毒能力強(qiáng) ,可負(fù)載于 Si O2、 Al 2O3、 Ti O2等氧化物中;WO3 有助于抑制 SO2 向 SO3的轉(zhuǎn)化。因此 ,電廠通常采用的 SCR催化劑是以多孔 Ti O2 作載體 ,起催化作用的活性成分 V2O5和 WO3分布在其表面。

3.1.2　 催化劑的反應(yīng)溫度

不同種類的 SCR催化劑具有不同的適宜溫度范圍 ,當(dāng)反應(yīng)溫度超出該溫度范圍時(shí) ,將發(fā)生副反應(yīng)。副反應(yīng)不但對脫硝效率有所影響 ,而且會導(dǎo)致催化劑活性降低。國內(nèi)外的大量研究表明 ,對于電廠普遍采用的釩催化劑 ,當(dāng) SCR反應(yīng)器溫度超過 399℃ 時(shí) ,氨的氧化對脫硝過程才會產(chǎn)生顯著影響。此外 ,當(dāng)溫度在 320℃以下時(shí) , SO3 容易與逃逸的氨反應(yīng)生成銨鹽 ,不但減少了與 NOx 反應(yīng)的氨 , 而且銨鹽附著在催化劑表面 ,將會使催化劑活性降低。另外 ,有研究表明 , SCR脫硝效率在開始階段隨著溫度的增加而增加 ,當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí) ,效率將會隨溫度的增加而下降。因此 , SCR系統(tǒng)運(yùn)行溫度應(yīng)該維持在 320～400℃ 之間。

3.1.3　 催化劑的形式

SCR反應(yīng)器中的催化劑形式主要有蜂窩式、 板式以及波紋板式。蜂窩式催化劑具有模塊化、相對質(zhì)量比較輕、 長度易于控制、 比表面積大、 易于利用等優(yōu)點(diǎn)。板式催化劑的優(yōu)點(diǎn)是對煙氣的高塵環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng) ,但比表面積小、 相對壓降大。波紋板式催化劑的優(yōu)點(diǎn)是比表面積較大 ,壓降較小。由于蜂窩式催化劑耐久性、 可靠性均較好 ,是目前應(yīng)用較多的催化劑形式。

3.1.4　 催化劑的壽命

在 SCR系統(tǒng)運(yùn)行過程中 ,催化劑會因?yàn)楦鞣N物理、 化學(xué)作用 ,如高溫?zé)Y(jié)、 沖蝕、 固體顆粒沉積堵塞、 堿金屬或重金屬中毒等 ,導(dǎo)致催化劑性能下降甚至失效。隨著催化劑活性的降低 ,反應(yīng)速率減小 ,脫除 NOx的效率也會降低。當(dāng)氨逃逸量達(dá)到最大值或允許水平時(shí)就必須更換催化劑。因此 ,需要采取合理的預(yù)防措施來延長催化劑的使用壽命。

3.2　 還原劑

3 . 2 . 1　 氨氣輸入量

研究表明 ,隨著 NH3 / NOx 摩爾比的增加 , NOx的脫除率也增加。NH3量不足會導(dǎo)致 NOx脫除率降低;若 NH3 量過多 , NH3 氧化等副反應(yīng)的反應(yīng)速率加大 ,也會導(dǎo)致 NOx脫除率降低 ,同時(shí) NH3 的排放量增加 ,形成二次污染。一般控制 NH3 / NOx 摩爾比在 0 . 8～1 . 2之間。

3.2.2　 氨與煙氣的混合程度

氨與煙氣在進(jìn)入 SCR反應(yīng)器前進(jìn)行混合 ,如果混合得不充分 , NOx 與氨不能充分反應(yīng) , NOx 脫除率會有所降低 ,并且會增加氨的逃逸量。因此 ,氨必須被霧化并與煙氣均勻混合 ,以確保與 NOx充分接觸反應(yīng)。采用合理的噴嘴格柵 ,并為氨和煙氣提供足夠長的混合煙道 ,是使氨與煙氣均勻混合的有效措施 ,并能夠保證 NOx 脫除率、 氨逃逸量和催化劑使用壽命。

3 . 2 . 3　 氨逃逸量

在 SCR系統(tǒng)中 ,氨逃逸量隨著催化劑活性的降低而增加。由于氨泄漏到大氣中會造成新的污染, 因此 ,在進(jìn)行 SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) ,要求在接近理論化學(xué)當(dāng)量比時(shí) ,提供足夠的催化劑量 ,以維持較低的氨逃逸水平 ,一般要求在 5ml /m3 以下。

3 . 3　 空間速度

空間速度 ( SV)是指煙氣體積流量 (標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的濕煙氣 )與 SCR反應(yīng)器中催化劑體積的比值 ,是煙氣在 SCR反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間尺度?？臻g速度越大 ,煙氣在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間就會越短 ,反應(yīng)越不充分 ,氨的逃逸量將增大 ,同時(shí) ,煙氣對催化劑骨架的沖刷會增大 ,脫硝效率就會降低。通常是根據(jù)反應(yīng)器的布置、 脫硝效率、 煙氣溫度、 允許氨逃逸量及粉塵濃度等確定空間速度。

4　SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙氣、 氨、 飛灰等在反應(yīng)器入口的分布情況直接影響脫硝效率。不合理的流場設(shè)計(jì)會導(dǎo)致 NOx 脫除效率下降 ,系統(tǒng)阻力增大 ,飛灰堆積并堵塞催化劑 ,影響整個(gè) SCR系統(tǒng)的運(yùn)行。因此 ,氨 /空氣混合系統(tǒng)、 SCR反應(yīng)器、 煙道系統(tǒng)的布置和設(shè)計(jì),在整個(gè) SCR工程中占據(jù)著重要地位。為確保催化劑層的理想條件 ,避免催化劑堵塞或磨損 ,運(yùn)用 CFD軟件對 SCR系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬 ,能快捷有效地達(dá)到設(shè)計(jì)目的。因此 ,對 SCR系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 可提高脫硝效率并減少氨逃逸量。

5　SCR技術(shù)的主要研究方向

5 . 1　 催化劑的研究

(1)催化劑的成本占 SCR系統(tǒng)總投資費(fèi)用的 1 /3以上。催化劑的使用壽命長 ,更換催化劑的頻率就會降低 ,這將會大大降低 SCR系統(tǒng)的運(yùn)行成本。在催化劑層布置合理的吹灰裝置可延長催化劑壽命 ,但解決這一問題的關(guān)鍵在于開發(fā)高效、 高空速和抗 SO2影響的催化劑?？梢?,新型 SCR催化劑的研究是現(xiàn)階段研究工作的重點(diǎn)之一。

(2)尾部布置方式具有脫硝效率高 ,催化劑使用時(shí)間長 ,且便于布置等優(yōu)點(diǎn) ,被認(rèn)為是一種理想的布置方式。但對于電廠廣泛采用的以 TiO2 為載體的釩催化劑 ,需采用 GGH等將煙氣溫度加熱到 300 ～400℃,這將會產(chǎn)生高額費(fèi)用。研究發(fā)現(xiàn) ,采用低溫脫硝催化劑將有可能使 SCR整體費(fèi)用降低。因此 ,開展低溫 SCR脫硝催化劑的研究 ,對我國煙氣脫硝有著重要意義。

5 . 2　SCR系統(tǒng)裝置的研究

氨和煙氣的混合程度是催化劑發(fā)揮最佳性能的必要前提。如果不考慮 SCR裝置的造價(jià),可在催化劑層前采取措施 ,將氨和煙氣混合到理想狀態(tài) ,但是 ,若采取措施過多 ,就會增加系統(tǒng)阻力和 SCR裝置的造價(jià)。所以 ,在實(shí)際工程應(yīng)用中 ,需要探求一種更加經(jīng)濟(jì)、 適合我國國情的氨與煙氣充分混合的方式。通過對 SCR系統(tǒng)進(jìn)行流場模擬 ,設(shè)計(jì)合理的噴嘴格柵、 煙道以及反應(yīng)器中的導(dǎo)流板是解決這一問題的關(guān)鍵 ,也是 SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。

5 . 3　 脫硝、 脫硫、 脫重金屬一體化技術(shù)的研究

在燃煤電廠中,由于脫硫、 脫硝、 脫除重金屬裝置投資巨大 ,分別建設(shè)會造成很大的資金浪費(fèi)。因此 ,在現(xiàn)有的 SCR系統(tǒng)上 ,通過改變吸收劑進(jìn)行脫硫、 脫硝、 脫除重金屬一體化技術(shù)的研究也是今后 SCR技術(shù)研究工作的重點(diǎn)之一。

6　 結(jié)語

(1) SCR煙氣脫硝技術(shù)脫硝效率高、 運(yùn)行可靠 , 將成為我國煙氣脫硝的主流技術(shù)。

(2)催化劑種類、 形式、 反應(yīng)溫度等都對脫硝效率有很大影響 ,應(yīng)用中要根據(jù)燃煤電廠實(shí)際情況選擇合適的催化劑。

(3)催化劑的類型、 反應(yīng)溫度、 氨與煙氣的混合程度、 空間速度等是影響 SCR脫硝效果的關(guān)鍵因素 ,在 SCR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮。

(4)為了避免重蹈我國煙氣脫硫技術(shù)和設(shè)備全面依賴外國的覆轍 ,我國應(yīng)盡快開發(fā)技術(shù)自主、 投資低的 SCR煙氣脫硝技術(shù)。

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