淺談SCR煙氣脫硝工藝特點

福建鑫澤環保設備工程有限公司 吳金泉

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淺談SCR煙氣脫硝工藝特點

福建鑫澤環保設備工程有限公司 吳金泉

選擇性催化還原法（SCR）是目前國際上處理火電廠鍋爐煙氣氮氧化物的最主要工藝。我公司于2004年與德國STEULER公司在煙氣脫硝技術方面展開了全方位的合作，并在國內開展煙氣脫硝工藝及其工程應用研究。該文介紹SCR工藝原理、影響因素，及合作公司的相關工藝流程特點。

煙氣脫硝 SCR 脫硝催化劑 脫硝工藝

隨著我國經濟的發展, 在能源消費中帶來的環境污染也越來越嚴重。其中，大氣煙塵、酸雨、溫室效應和臭氧層的破壞已成為危害人類生存的四大殺手。在我國，二氧化硫、氮氧化物等有害物質主要是由燃煤過程產生的。排放燃煤煙氣所含的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等有害物質是造成大氣污染、酸雨的主要來源。

經濟的發展同時伴隨著耗電量的劇增，這使得燃煤電廠的煙氣排放成為重點關注對象。目前，我國已經開展了大規模的煙氣脫硫項目, 但煙氣脫硝正待全面展開。有研究資料表明，近年酸雨的類型已經從硫酸型向硫酸和硝酸復合型轉化，如果再不加強對煙氣中氮氧化物的治理, 氮氧化物的總量和在大氣污染物中的比重都將直線上升, 并有可能取代二氧化硫成為大氣中的主要污染物。

我國煙氣脫硝技術研究和項目實施起步較晚，目前國內運行的較大型和大型的煙氣脫硝裝置所采用的工藝均為引進歐、美、日等發達國家的技術, 為適應國內煙氣脫硝市場的需要，我公司于2004年與德國STEULER公司在煙氣脫硝技術方面展開了全方位的合作，主要由德方提供技術支持，我方負責消化技術、組織工程設計，開拓國內市場。

1 SCR煙氣脫硝工藝

當前，在眾多的煙氣脫硝工藝中，選擇性催化還原法（SCR）是脫硝效率、使用率最高，最為成熟的主流脫硝工藝。1975年在日本Shimoneski電廠建立了第一個SCR系統的示范工程，其后SCR技術在日本得到了廣泛應用，大約有170套裝置接近100GW容量的電廠安裝了這種設備；在歐洲已有120 多臺大型裝置的成功應用經驗，其NOx的脫除率可達到80%~90%；美國政府也將SCR技術作為主要的電廠控制NOx技術，已建成157套裝置，總容量約100GW；我國目前也已有幾十套裝置投入建設或運行中。

所謂SCR脫硝工藝，是指常壓下，向含有氮氧化物和具有適宜溫度的煙氣中噴入約5%的氣氨，并使其混合均勻、流經裝有催化劑的反應器，進行NOx與NH3的選擇性還原反應而生成無害的N2和H2O。

1.1 SCR法煙氣脫硝原理

在催化劑作用下，向溫度約320℃～420℃的煙氣中噴入氨，將NOx還原成N2和H2O。化學反應方程式如下：

在有氧的條件下：

在無氧（或者缺氧）的條件下：

當反應條件改變時，就有可能發生以下副反應：

溫度＞350℃（450℃以上開始激烈）：

溫度＜300℃：

因此，控制好反應條件，可選擇性地使脫硝反應向著理想的方向進行，同時最大限度地節約還原劑消耗。

1.2 SCR煙氣脫硝工藝的影響因素

1.2.1 溫度對催化劑反應性能的影響

催化劑的應用設計是SCR工藝的重要環節，而采用何種催化劑又與SCR反應器的布置方式密切相關。常壓下，一般將脫硝催化劑按使用溫度區分為三類：高溫催化劑(345℃～590℃)、中溫催化劑(260℃～380℃)和低溫催化劑(80℃～300℃)。可運用于電廠鍋爐煙氣脫硝裝置中的SCR催化劑材料種類、配方很多，不同的催化劑，其適宜的反應溫度各異。

目前，國內外SCR工藝系統大多采用V2O5-MoO3（WO3）/TiO2高溫催化劑，且盡可能尋優控制反應溫度在350℃～380℃。如果反應溫度太低,催化劑的活性降低,脫硝效率下降，不僅達不到脫硝的效果，而且，將伴隨形成銨鹽的副反應發生，導致催化劑的失效和后續設備的黏堵、腐蝕；如果反應溫度太高,NH3容易被直接分解和氧化,在增加氨耗的同時還使生成NO的量增加,甚至引起催化劑材料的相變,導致催化劑的活性微晶燒結、損毀。

1.2.2 空速（SV）對脫硝反應的影響

煙氣在SCR反應器中的空塔速度是SCR的一個關鍵設計參數, 它是折算為標準狀態下的濕煙氣體積流量與SCR反應器中催化劑體積的比值, 反映了煙氣在SCR反應器內的停留時間大小。煙氣的空塔速度越大，其停留時間越短。通常，SCR的脫硝效率將隨煙氣空塔速度的增大而降低。空塔速度是根據SCR反應器的布置、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。對于常用的高塵布置流程，歐洲經濟委員會推薦空速值為2500～3500h-1。

1.2.3 摩爾比對NO轉換的影響

煙氣中NOx約占95%的為NO，理論上，lmol的NO需要1mol的NH3去脫除。根據化學反應平衡原理，NH3量不足會導致NOx的脫除效率降低，但在工程實踐中，NH3過量又會帶來NH3對環境的二次污染，故在實際設計過程中，恰當的NH3/NOx摩爾比值應根據原煙氣中NOx含量、要求的脫硝效率和氨逃逸量具體計算出來。

1.2.4催化劑的型式對SCR工藝的影響

催化劑是SCR工藝系統中的重要組成部分。催化劑的選擇不僅僅是針對反應溫度的不同來選擇，并且要考慮煙氣特性、SCR裝置的壓降、布置的合理性等因素。當前流行使用的催化劑有蜂窩式、波紋式和平板式等。平板式催化劑一般是以不銹鋼金屬網格為基材負載上含有活性成份的載體壓制而成；蜂窩式催化劑是把載體和活性成份混合物整體擠壓成型；波紋式催化劑是外形如起伏的波紋，形成許多小孔。當前，各種型式的脫硝催化劑活性成分大多由V2O5和MoO3、WO3構成，其性能參數的比較見表1。

表1 各種型式催化劑性能參數比較

2 德國STEULER公司煙氣脫硝工藝簡介

2.1 高粉塵布置的SCR工藝及其特點

圖1 SCR高粉塵布置的工藝流程圖

2.1.1優點

⑴由于反應溫度較高，可選擇的催化劑種類較多；

⑵相對于低粉塵布置和末端布置來說，省去了煙氣再熱系統，從而節省了投資和運行成本；

⑶早已完成工業化運用，并且已有20年的運行經驗，是目前火電廠煙氣脫硝廣泛采用的工藝。

2.1.2缺點

⑴由于粉塵濃度較高，所以粉塵對催化劑的沖刷和磨損較大；

⑵省煤器是與鍋爐本體相連的，對于大型的機組而言，SCR反應器的重量比較大，所以一般要設置獨立的SCR反應器的支撐鋼架，這就涉及到了鍋爐的重新調整和負荷重新計算的問題；

⑶煙氣中含有大量的SO2,催化劑可以使部分SO2氧化，生成難處理的SO3,并可能與煙氣中的氨生成腐蝕性很強的硫酸銨（或者硫酸氫銨）鹽物質，容易腐蝕后續的空氣預熱器和靜電除塵器。

2.2 低粉塵布置的SCR工藝及其特點

圖2 SCR低粉塵布置的工藝流程圖

2.2.1優點

⑴鍋爐煙氣經過靜電除塵器之后，粉塵濃度降低，可以延長催化劑的使用壽命；

⑵與鍋爐本體獨立，不影響鍋爐的正常運行；

⑶氨的泄漏量比高溫布置方式的泄漏量要少。

2.2.2缺點

⑴與高粉塵布置一樣，煙氣中含有大量的SO2,催化劑可以使部分SO2氧化，生成難處理的SO3,并可能與煙氣中的氨生成腐蝕性很強的硫酸銨（或者硫酸氫銨）鹽物質；

⑵由于煙氣溫度較低（約140℃～160℃），可供選擇的催化劑種類較少；

⑶國內尚無低溫催化劑的運用經驗，并且國外可供參考的工程實例也比較少。

2.3 SCR反應器末端布置的工藝及其特點

圖3 SCR反應器末端布置的工藝流程圖

2.3.1優點

⑴鍋爐煙氣經過除塵、脫硫后，可以采用更大煙氣流速和空速，從而使催化劑的消耗量大幅減少；

⑵氨的逃逸量相對最少，防止了二次污染，并且不會腐蝕設備、構筑物（采用防腐煙囪）；

⑶不會產生SO3，及其帶來的危害。

2.3.2缺點

⑴一定要設置煙氣再熱系統，增加了投資和運行成本；

⑵很難找到符合反應條件的催化劑，難于付諸工程實施。

3 總結與展望

國家環保總局于2004年制訂的《火電廠大氣污染排放標準》(GBl3223—2004)中對火電廠NOx的排放做出了限制規定，且明確提出新建火電機組除滿足現行排放標準外,須預留煙氣脫除氮氧化物裝置空間。相應的《排污費征收標準管理辦法》從2004年7月1日起執行。每當量的氮氧化物征收排污費0.6元（而原來是不收費的）。現在執行的是經修訂的這一標準的2010版本，其燃煤鍋爐氮氧化物（NOx）排放指標為重點地區200mg/Nm3、非重點地區400mg/Nm3。

為適應新形勢下環保工作的要求，2011年1月，新版《火電廠大氣污染物排放標準》（二次征求意見稿）發布，計劃2012年1月1日起實施。這次修訂，又將原標準中的氮氧化物排放限值再次降低了一倍。具體要求：所有新建火電機組NOx排放量不得超過100mg/ Nm3；并且從2014年1月1日起，要求重點地區所有火電投運機組NOx排放量都要達到100mg/m3；非重點地區2003年以前投產的機組達到200mg/Nm3。這一限值嚴于歐盟（200mg/Nm3）和美國（135mg/Nm3）的現行排放標準。在“十二五”開局之年，大幅提高火電氮氧化物的排放標準，對環保產業未來的整體走勢給出新的信號，也為火電廠上馬煙氣脫硝工程提供了環保動力和壓力。

針對我國煙氣脫硝市場及技術，結合發達國家煙氣脫硝的經驗，提出以下建議：

3.1 首先，應當進一步完善煙氣脫硝的相關法律法規和相關技術標準，呼吁國家盡快出臺統一電廠脫硝電價補貼政策，降低企業運行壓力，促進煙氣脫硝的全面、快速開展。

3.2 對于煙氣脫硝技術的發展，可借鑒煙氣脫硫技術發展的成功經驗，應立足于引進消化國外先進技術與自主開發相結合的原則，逐步實現工藝及相關設備的國產化、產業化。

3.3 由于煙氣脫硝無論是市場還是技術在我國都顯得相當薄弱，當前氮氧化物的脫除也可以采取分步實施的方式，即首先采取低氮燃燒技術，最大限度抑制NOx的生成量，然后再酌情考慮上SNCR（或SCR）裝置，以降低項目投資。

3.4 加大科研力度。特別是加大低溫催化劑的開發研究和煙氣在SCR反應器內的溫度場、流場的分布模擬研究，切實提高單位投資的煙氣脫硝率。

3.5 煙氣同時脫硫脫硝凈化處理技術已成為各國控制火電廠煙氣污染的研發熱點，但目前因技術不成熟制約了大規模的推廣應用。對于我國而言，其主要技術發展方向應該是投資少、運行費用低、效率高、產物資源化的高新技術，因此應加快這類技術的產業化、經濟化研究。

[1] 孫克勤, 鐘秦. 火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M]. 北京: 化學工業出版社，2007

[2] 陳進生. 火電廠煙氣脫硝技術——選擇性催化還原法[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.