燃煤電廠SCR煙氣脫硝技術及應用研究

劉顯麗

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

燃煤電廠是我國主要的電力生產單位，煤電所產生的發電量占國內總值的九成以上，為國民的生產和生活提供了主要的能源。然而，燃煤電廠在煤炭燃燒過程中會產生大量氮氧化物（NOx）氣體。NOx主要有NO、NO2、N2O、N2O3、N2O5等，燃煤電廠排放的氮氧化物中90%為NO，少量的為NO2、N2O，這些化合物氣體可能會產生光化學煙霧、酸雨等問題，對自然環境造成污染。因此，必須要進行脫硝處理，凈化排放煙氣。

1 SCR脫硝技術現狀

燃煤過程中有熱力型、燃料型、快速型三種生成NOx的方式。燃煤電廠的氮氧化物主要是前兩種排放類型，其中，燃料型占70%以上。隨著國家環保意識和環保行動的增強，對燃煤電廠煙氣排放的標準不斷提高，采用有效的脫硝工藝是控制氮氧化物排量的重要手段。當今，國際上燃煤電廠都以選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術為主要脫硝工藝，SCR煙氣脫硝技術最早起源于美國，最初是在日本得到具體的應用，裝機量達到90%以上，該技術現在成為了全球發達國家普遍采用的氮氧化物減排工藝，國內也在多年前開始引入，取得了很好的減排效果。經過多年的應用以及相關工藝的改進，該技術發展的較為成熟[1]。

2 SCR脫硝原理

2.1 技術原理

SCR技術的基本原理是氧化還原反應，原理如圖1，以氨氣為還原劑，在催化劑作用下，將氮氧化物（主要是NO和NO2）還原成氮氣和水，相比氫氣、甲烷或一氧化碳等還原劑，在還原NOx 的同時會與煙氣中的氧氣作用，該技術的特點是氨氣不與煙氣中的氧氣反應，因此稱之為“選擇性”，化學方程式如下：

圖1 反應原理圖

上述的反應式想要有效進行，需要在合適溫度以及催化劑作用下才能實現，通常溫度需要控制在310~420℃之間，這樣能夠獲得80%以上的脫硝效率。

2.2 工藝流程

SCR脫硝系統主要有五個部分組成：煙氣系統、SCR反應器、催化劑填裝系統、還原劑氨供應系統、控制系統。其中，還原劑氨供應系統一般有液氨和尿素兩種。液氨使用方便，但其屬于危險化學品，使用的環境和手續流程受到嚴格限制，而尿素則相對安全，便于運輸存儲，價格也適中，未來將會成為脫硝工藝的主要制氨原料。尿素需要熱解和水解后才能變為氨氣，尿素熱解主反應方程式為：

利用尿素作還原劑的SCR工藝如圖2，其中還原劑制備系統也是重要的構成部件。首先利用除鹽水將尿素溶解為50%的溶液送到儲罐內；控制系統控制計量機構將一定量的尿素溶液泵送至熱解器中，在加熱器產生的熱空氣作用下進行熱解反應，制備出氨氣。當鍋爐的煙氣被送入SCR反應器連接煙道中，氨氣通過噴氨格柵與煙道中的煙氣混合后進入SCR中的催化劑層，在催化劑作用下，將氮氧化物煙氣還原成無害的氮氣與水，然后進入空預器，排出或回收利用[2]。

圖2 尿素熱解條件下的SCR脫硝工藝流程

3 SCR技術工藝特點與布放方式

3.1 工藝特點

SCR的工藝特點概述如下：

表1 SCR工藝特點

催化劑是化學反應中的重要成分，往往占據重要成本。顯然，SCR的運行成本很大程度上取決于催化劑的壽命或是活性衰減速度。在一些堿金屬如Na、K、Ca或重金屬As、Pt等的作用下，催化劑很容易引發中毒發生化學失活，在具體的工藝應用中要對此方面采取相關的考慮和處理措施。

3.2 布置方案

SCR系統的布放位置方案可以分為三種：高粉塵布放、低粉塵布放、以及尾部布放。其中，對于高粉塵布放，需要將SCR反應器置于空預器前端300-420℃位置，如圖3所示；低粉塵布放則是將SCR反應器放置于電除塵器與空預器之間；尾部布放方案則是將SCR放置在FGD（濕法煙氣脫硫裝置）之后，如圖4所示。實際上，按照常用催化劑活性特點，最佳的反應溫度范圍在300-420℃，燃煤電廠的鍋爐尾部溫度恰好是在此范圍內，因此采用高粉塵布置方案不需要額外的煙氣熱量控制設備，但從鍋爐尾部出來的煙氣往往含有硫化物、懸浮物等其他雜質，存在損壞SCR反應器的風險。而采用其他兩種布放方案則需要在煙氣管道后端加裝GGH加熱裝置。實際的選擇要根據電廠的具體情況進行評估選擇[3]。

圖3 SCR脫硝反應器高粉塵布置工藝

圖4 SCR脫硝反應器尾部布置工藝

4 對我國燃煤電廠SCR脫硝技術的改進建議

4.1 同步安裝SCR裝置

隨著未來對環保的要求提升，脫硝處理已經成為了所有燃煤電廠的必要工藝流程，然而，對于已經建設的電廠，加裝SCR會增加大量的改造工作量，并且改變了原來的既定運行。當前的SCR脫硝技術日趨成熟，對于在建或未來的新建電廠，在設計之初就將SCR考慮在內，至少為其后續的加裝預留出位置和接口，能夠更好統籌考慮節約資源[4]。

4.2 開發低溫催化劑

當前的SCR技術中，普遍使用的是中高溫催化劑，因此，大部分的SCR反應器都被迫采用了高粉塵前置布放方式，這樣的高溫條件會發生高溫燒結、磨損、固體顆粒沉淀阻塞等問題，對催化劑產生物理失活破壞，浪費經濟成本，阻礙了SCR技術推廣應用。因此，開發經濟性的低溫催化劑是發展SCR技術的關鍵因素之一，當前許多機構和科研院所都開展了相關研究，為SCR技術的推廣提供了技術支持。

4.3 開發適用于我國煤質的SCR技術

實際上，燃煤煙氣的脫硝效率受到煤質的特征影響，不同地區的煤炭成分存在差別，所產生的煙氣中重金屬等物質的成分不同影響催化劑的活性，成為阻礙SCR技術應用效率和效果的主要問題。針對此情況，應當有針對性的引入符合我國煤質的SCR脫硝技術，并進行改進，真正的實現國產化SCR技術高效脫硝。

4.4 提高脫硝重視程度

燃煤電廠煙氣脫硝雖然是大氣環境保護的重要舉措，然而多年來，國內電廠更多的是關注煙氣脫硫，政府缺少此方面的政策引導和經濟支持。因此，將來可以進行一些鼓勵措施，對于安裝脫硝裝置的電廠，進行電價補償，提高企業安裝SCR脫硝裝置的積極性[5]。

5 結語

綠水青山就是金山銀山，隨著我國在環境保護意識和行動上的不斷加強，對煙氣排放標準也更加的嚴格。對于燃煤電廠排放的氮氧化物煙氣，也需要進行嚴格的排放控制與治理。眾多脫硝技術中，SCR技術因其出色的性能得到了世界范圍內的廣泛應用，國內的燃煤電廠要在引進和應用中將技術吸收國有化改良，不斷提高脫硝的效率，保護好大氣環境。