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SCR烟气脱硝工艺简介

吴金泉1  李勇1,2
（1 福建鑫泽环保设备工程有限公司，福建福州  350002；
2 江西理工大学环境与建筑学院，江西 赣州  341000）
摘要：选择性催化还原法（SCR）是目前国际上处理火电厂氮氧化物的最主要处理方法。我公司于2004年与德国STEULER公司在烟气脱硝技术方面展开了全方位的合作，并在国内开发烟气脱硝市场。本文从SCR工艺原理出发，介绍了合作公司的相关运行工艺。
关键词：烟气脱硝；SCR；脱硝催化剂；脱硝工艺

随着我国经济的发展, 在能源消费中带来的环境污染也越来越严重。其中，大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人民生存的四大杀手。燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。在我国，二氧化硫、氮氧化物等有害物质主要是由燃煤过程产生的。
随着我国经济实力的增强,耗电量也将逐步加大。目前，我国已经开展了大规模的烟气脱硫项目, 但烟气脱硝还未大规模的开展。有研究资料表明，如果继续不加强对烟气中氮氧化物的治理, 氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将上升, 并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。
我国烟气脱硝项目起步较晚，目前国内运行的烟气脱硝项目所采用的工艺也是引进欧、美、日等发达国家和地区烟气脱硝技术, 为适应国内烟气脱硝市场的需要，我公司于2004年与德国STEULER公司在烟气脱硝技术方面展开了全方位的合作，主要由德方提供技术支持，我方负责开拓市场、消化有关技术。
1    SCR脱硝技术简介
在众多的脱硝技术中，选择性催化还原法（SCR）是脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术。1975 年在日本Shimoneski电厂建立了第一个SCR系统的示范工程，其后SCR技术在日本得到了广泛应用。在欧洲已有120 多台大型装置的成功应用经验，其NOx的脱除率可达到80%~90%。日本大约有170套装置，接近100GW 容量的电厂安装了这种设备，美国政府也将SCR技术作为主要的电厂控制NOx技术，SCR 方法已成为目前国内外电厂脱硝比较成熟的主流技术。
1.1            SCR法烟气脱硝原理
在催化剂作用下，向温度约280℃～420℃的烟气中喷人氨，将N0还原成N2和NO。化学反应方程式如下：
在有氧的条件下：
在无氧（或者缺氧）的条件下：
在反应条件改变时,就有可能发生以下副反应:【1】
由于该反应没有产生副产物,并且装置结构简单,适合于处理大量的烟气。
1.2            SCR烟气脱硝工艺的影响因素
1.2.1   温度对催化剂反应性能的影响
目前，运用于电厂烟气脱硝中的的SCR催化剂有很多，不同的催化剂,其适宜的反应温度也差别各异。如果反应温度太低,催化剂的活性降低,脱硝效率下降，则达不到脱硝的效果。并且，如果催化剂在低温下持续运行,将导致催化剂的永久性损坏；如果反应温度太高,NH3容易被氧化,生成NOx的量增加,甚至会引起催化剂材料的相变,导致催化剂的活性退化。
采用何种催化剂与SCR反应器的布置方式是密切相关的，一般可以把催化剂的种类分为三类：高温催化剂(345℃～590℃)、中温催化剂(260℃～380℃)和低温催化剂(80℃～300℃)。目前,国内外SCR系统大多采用高温催化剂,反应温度在315℃～400℃。
1.2.2   空速（SV）对催化剂性能的影响
烟气在SCR反应塔中的空塔速度是SCR 的一个关键设计参数, 它是烟气体积流量(标准状态下的湿烟气))与SCR反应塔中催化剂体积比值, 反映了烟气在SCR 反应塔内的停留时间的大小。烟气的空塔速度越大,其停留时间越短。一般SCR 的脱硝效率将随烟气空塔速度的增大而降低。空塔速度通常是根据SCR反应塔的布置、脱硝效率、烟气温度、允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的。
1.2.3   摩尔比对NO转换的影响
理论上，lmoI的NO需要1moI的NH3去脱除。根据化学反应平衡知识，NH3量不足会导致NOx的脱除效率降低，但在工程实践中，NH3过量又会带来NH3对环境的二次污染，一般在设计过程中，NH3/NO的值控制在0.8～1.2的范围内比较合适，并且结合机组负荷的变化而变化。
1.2.4 催化剂的选择对SCR工艺的影响
SCR系统中的重要组成部分是催化剂，催化剂的选择不仅仅是针对反应温度的不同来选择，并且要考虑SCR装置的压降、布置的合理性等因素。当前流行的成熟催化剂有蜂窝式、波纹状和平板式等。平板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材负载上含有活性成份的载体压制而成；蜂窝式催化剂一般是把载体和活性成份混合物整体挤压成型；波纹状催化剂是外形如起伏的波纹，从而形成小孔。当前各种催化剂活性成分大部分为WO3和V2O5。各种催化剂性能参数的比较见表1【2】：
表1 各种催化剂性能参数的比较
性能参数
平板式催化剂
蜂窝式催化剂
波纹状催化剂
催化剂活性
低
中
高
氧化率
高
高
低
压力损失
中
高
低
抗腐蚀性
高
一般
一般
抗中毒性
低
低
高
堵塞可能性
低
中
中
耐热性
中
中
中
2         德国STEULER公司烟气脱硝工艺简介
2.1            高粉尘布置的SCR工艺及其特点

图1为其工艺流程图
高粉尘布置SCR工艺的优点是：
⑴由于反应温度较高，可选择的催化剂的种类较多；
⑵相对于低粉尘布置和末端布置来说省去了烟气再热系统，从而节省了投资和运行成本；
⑶早已完成工业化运用，并且已有20年的运行经验，是目前火电厂烟气脱硝广泛采取的工艺。
其缺点是
⑴由于粉尘浓度较高，所以粉尘对催化剂的冲刷和磨损较大；
⑵省煤器是与锅炉本体相连的，对于大型的机组而言，SCR反应器的重量是比较大的，所以一般要设置独立的SCR反应器的支撑钢架，这就涉及到了锅炉的重新调整和负荷重新计算的问题；
⑶烟气中含有大量的SO2,催化剂可以使部分SO2氧化，生成难处理的SO3,并可能与泄漏的氨生成腐蚀性很强的硫酸氨（或者硫酸氢氨）盐物质；
⑷由于流程较长，容易发生氨的泄漏，从而生成腐蚀性很强的硫酸氨（或者硫酸氢氨）盐物质，所以容易腐蚀后续的空气预热器和静电除尘器。
2.1            低粉尘布置的SCR工艺及其特点
图2为其工艺流程图

图2 SCR低粉尘布置的工艺流程图
低粉尘布置SCR工艺的优点是
⑴锅炉烟气经过静电除尘器之后，粉尘浓度降低，可以延长催化剂的使用寿命；
⑵与锅炉本体独立，不影响锅炉的正常运行；
⑶氨的泄漏量比高温布置方式的泄漏量要少。
其缺点是
⑴与高粉尘布置一样，烟气中含有大量的SO2,催化剂可以使部分SO2氧化，生成难处理的SO3,并可能与泄漏的氨生成腐蚀性很强的硫酸氨（或者硫酸氢氨）盐物质；
⑵由于烟气温度低（大概在160℃左右），可供选择的催化剂的种类较少；
⑶国内没有运用经验，并且国外可供参考的工程实例也比较少。
2.1            SCR反应器末端布置的工艺及其特点
图3为其工艺流程图

图3     SCR反应器末端布置的工艺流程图
末端布置SCR工艺的优点是
⑴锅炉烟气经过除尘脱硫后，可以采用更大烟气流速和空速，从而使催化剂的消耗量大大的减少；
⑵氨的逃逸量是最少的，并且不会腐蚀构筑物（烟囱采用防腐烟囱）；
⑶不会产生SO3，防止二次污染。
其缺点是
⑴一定要设置烟气再热系统，增加了投资和运行成本；
⑵很难找到符合反应条件的催化剂。
3  总结与展望
国家环保总局2004年修改通过的《火电厂大气污染排放标准》(GBl3223—2004)对火电厂NOx的排放已做出限制规定，且明确提出新建火电站除满足现行排放标准外,须预留烟气脱除氮氧化物装置空间。相应的《排污费征收标准管理办法》从2004年7月1日起执行。每当量的氮氧化物征收排污费0.6元（而原来是不收费的）。这也就为火电厂上烟气脱硝工程提供了环保动力。针对我国烟气脱硝市场及技术，结合发达国家烟气脱硝的经验，现提出以下建议仅供参考：
⑴首先，应当完善烟气脱硝的相关法律法规和相关技术标准。不仅可以使环境执法有法可依，相关环保工程也有一个统一的技术标准；
⑵对于烟气脱硝技术的发展，可借鉴烟气脱硫技术发展的成功经验，应立足于引进消化国外先进技术与自主开发相结合的原则，逐步实现工艺及相关设备的国产化、产业化。
⑶由于烟气脱硝无论是市场还是技术在我国都显得相当薄弱，所以当前火电厂氮氧化物的脱除可以采取分步脱除，首先可以采取低氮燃烧加上SNCR（或SCR）技术，同时为适应以后更加严格的环保要求预留一定脱氮空间；
⑷加大科研力度。特别是加大低温催化剂的研究开发和烟气在SCR反应器内的温度场、流场的分布模拟，切实提高烟气的脱硝率；
⑸烟气同时脱硫脱硝净化处理技术已成为各国控制火电厂烟气污染的研发热点，但目前因技术不成熟制约了大规模的推广应用。对于我国而言，其主要技术发展方向应该是投资少、运行费用低、效率高、产物资源化的高新技术，因此应加快这类技术的产业化、经济化研究。

参考文献
【1】       范剑峰，吴以凡，贾宝荣等. 火电厂选择性催化还原脱硝技术的可行性研究[J]. 化工时代 .2005.7（19）：64-67
【2】       大唐公司烟气脱硝技术介绍[Z].2005.
作者简介：
吴金泉（1963年—）,男，工程师，福建鑫泽环保设备工程有限公司董事长兼总经理，长期从事脱硫除尘装置等新产品的开发和研制工作。