燃煤锅炉SCR烟气脱硝技术

李广正 姜茹

中国核电工程有限公司河北分公司

燃煤锅炉SCR烟气脱硝技术

李广正 姜茹

中国核电工程有限公司河北分公司

SCR技术是目前国际上最成熟、应用最广泛的脱硝技术，本文介绍了SCR脱硝技术的基本原理，分析了SCR法脱除N0X效率的影响因素，对加装SCR提出了几点建议。

SCR；烟气脱硝；NOX

前言

随着我国经济的不断发展，能源消费越来越多,随之带来的环境污染也越来越严重。煤炭在我国能源消费中占主导地位，燃煤排放的二氧化硫、氮氧化物是造成大气污染、酸雨的环境污染的主要来源。现阶段，烟气脱硫项目已经大规模实施，但烟气脱硝刚刚起步。

目前，在世界上较为成熟的脱硝方法主要分为燃烧中脱硝和燃烧后脱硝两类。燃烧中脱硝法是控制燃烧过程中NOX的生成，有空气分级燃烧、燃料再燃烧、烟气再循环和低N0x燃烧器等，该类方法具有建设周期短，投资少等优点，但其脱硝效率较低，一般在40%以下，另外影响锅炉的热效率。燃烧后脱硝方法一般是指选择性非催化还原(Selective Noncatalytic Reduction, SNCR)和选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction, SCR)。SNCR是在没有催化剂存在的情况下，向炉膛喷射含有氨基的还原剂(一般为尿素和氨水)，迅速生成的NH3与烟气中的N0x反应成N2和H2O。SCR是指在催化剂的作用下，烟气中的N0x被喷入烟气中的氨还原成N2和H2O。SNCR法不需催化剂，脱销效率为30%～50%，氨气的逃逸率大，易造成环境污染，运行温度在800~1 000℃，现有中小型锅炉可通过改造实现，投资费用低；SCR法反应需要催化剂配合，效率最高可达95%，氨气的逃逸率小，运行温度在400℃左右，适用于各种机组，但投资较大。SCR法技术成熟可靠，脱硝性能稳定，脱硝效率高，液氨消耗少、目前在世界上被广泛采用。

1 SCR脱硝技术的基本原理

SCR的化学反应机理比较复杂，主要的反应是NH3喷入系统中，在催化剂的作用下，有选择地把烟气中的NOx的还原为N2和H2O。选择性催化还原的反应温度为l50℃～450℃之间，其反应可表示如下：

反应式中以第一个反应为主，由于烟气中几乎95% 的NOX是以NO的形式存在，如果没有催化剂，反应进行的温度范围很窄(980℃左右)。经过催化剂的合适选择，可以降低反应温度，使反应温度适合燃煤锅炉实际使用的290℃～430℃范围。

当改变反应条件时，以下副反应还可能发生：

NH3氧化为NO的反应和NH3分解的反应都在350℃以上才发生，反应剧烈需要温度到达450℃以上。在通常的选择性催化还原反应中，反应温度一般控制在300℃以下，这时只有NH3氧化为N2的副反应发生。

但是在某些特定条件下，在SCR系统里也会有如下的不利反应发生：

反应中形成的 (NH4)2SO4和NH4HSO4很容易对空气预热器进行玷污,对空气预热器的影响很大。

2 SCR法脱除NOX效率的影响因素

在选择性催化还原系统设计中，影响NOX脱除效率的因素有：烟气流速、O2浓度、烟气温度、氨逃逸、水蒸气浓度和催化剂钝化影响等。

(1)烟气流速。烟气流速直接影响NOX与NH3的混合程度，烟气流速越慢，NH3与NOX混合的充分，越容易提高NOX的脱除效率，因此需要设计合理的流速以保证NH3与NOX充分混合，以使反应进行完全。

(2)O2浓度。根据反应的基本原理可知，反应需要O2的参与，一般O2浓度控制在2%～3%。

(3)烟气温度。催化反应最适合在特定的催化反应温度下进行，因而反应的进程受烟气温度的直接影响。

(4)氨逃逸。根据反应的基本原理可知，NH3量不足，会导致NOX脱除不完全，NH3过量，会造成环境的二次污染，因此NH3需要一个合适的量，通常是多余理论量的氨被喷射进入系统，最佳值在某一个氨逃逸量后达到。

(5)水蒸气浓度。催化剂性能随着水蒸气浓度的增加而下降，从而降低NOX的脱除效率。

(6)催化剂钝化。催化剂的钝化直接影响系统的脱硝效率，不利于SCR系统的正常运行，需要有效控制。

3 催化剂

选择优良的催化剂是SCR技术的关键，催化剂分为金属氧化物催化剂、碳基催化剂、贵金属催化剂和分子筛催化剂等，目前使用中以金属氧化物催化剂为主。应用最多的金属氧化物催化剂是以V2O5为活性成分的。V2O5可负载于Al2O3、SiO3、TiO2等氧化物上，现在使用的V2O5催化剂大部分是负载在二氧化钛上的钒氧化物，辅以钨与钼为助催化剂。V2O5的工作温度较低（350℃～450℃），抗中毒能力较强，催化剂表面呈酸性，容易将碱性的氨捕捉到催化剂表面进行反应，并且其特定的氧化优势利于将氨和NOX转化为氮气和水。SCR催化剂的形状最早是粒状的，现在一般做成蜂窝状或平板状，以防止催化剂层被粉末堵塞并减少压力损失。

4 安装位置

按照催化剂反应器在烟气除尘器之前或之后安装，可分为高粉尘、低粉尘和尾部设置三种布置方式。

采用高粉尘布置时，SCR反应器布置在省煤器和空气预热器之间，优点是烟气温度高，进入反应器烟气的温度达300℃～500℃，满足了催化剂反应要求，多数催化剂在此温度范围内有足够的活性，烟气不需加热可获得好的N0X净化效果，因而这种布置方式被广泛采用。其缺点是烟气中飞灰含量高，对催化剂防磨损、堵塞及钝化性能要求更高，使其寿命受到影响。

采用低粉尘布置时，SCR布置在除尘器之后，脱硝设备与锅炉相对独立，对锅炉设计无特殊要求。这种布置方式的特点是飞灰不会对催化剂造成影响，但除尘器需要在较高温度下工作，有产生问题的可能。

采用尾部设置的SCR反应器，置于锅炉的末端，在FGD之后，这种布置方式的特点烟气中已经去除了SO3等气体，催化剂不再会受到他们带来的影响，氨逃逸量相对最少，但是由于烟气温度较低，通常情况下需要设置烟气再热系统，以便将烟气温度提高。

在使用的实际装置中，飞灰的污染程度是可以接受的。吸收塔垂直布置和增加吹灰措施也可以解决飞灰堵塞和催化剂腐蚀问题，因此在脱销工业中，SCR反应器大多数都采用高粉尘布置方式(第一种布置方式)，这样烟气温度高，不需设置烟气再热系统，整个系统的热效率不用降低。

5 加装SCR的几点建议

(1)加强后部烟道和除尘器的强度。锅炉增设SCR后，烟道阻力随之增加，一般增加l000Pa～1500Pa，所以引风机的压力需要增加，从而会造成后部烟道及除尘器等负压的增加，这些部位的强度应该加强。

(2)预防空预器积灰和腐蚀。NH3与SO3发生化学反应生成 (NH4)2SO4和NH4HSO4，这些具有黏性，很容易对空气预热器进行玷污,对空气预热器的影响很大。因此空气预热器设计时应考虑内部构造并选择合理的材料，可以采用蒸汽吹灰系统或者高压水冲灰系统进行解决。另外省煤器灰斗除灰占总灰量的5%，省煤器的出口烟气流速通常为10m／s，而SCR反应器内烟气流速只有大约(4～6)m／s，肯定会造成一定的积灰。因此，在保留省煤器灰斗的基础上，应考虑在SCR后布置灰斗。这样对安全稳定运行有利。

(3)旁路的设置。当锅炉运行周期较长，需要设置SCR旁路(从SCR入口到SCR出口)，以便对SCR装置在线检修。设置SCR旁路时，需要设置旁路挡板密封门。需要增加设备、投资增加，并产生旁路挡板密封和积灰问题。是否设置SCR旁路需要综合评估，主要依据锅炉冷起动的次数决定，若每年5～8次，则旁路无须设置，否则旁路推荐设置。

(4)选择合适的催化剂。选择合适的催化剂是SCR技术的关键，催化剂的性能直接影响反应的进行，因此需要选择合适的催化剂，以便反应按预设的反应方向进行，达到理想的脱硝效果。

6 小结

目前，我国控制烟气中氮氧化物排放的标准更加严格，治理排放力度不断加大。因此将会有更多的燃煤锅炉上马脱销工程。现阶段技术最成熟、采用最广泛的是SCR烟气脱硝技术。低NOX燃烧技术与SCR烟气脱硝技术相结合，可以大幅度地减少NOX的排放量，并可以使SCR的使用周期延长。通过烟气脱硝工程的实施，NOX的排放必将得到有效控制，即可减少因酸雨造成的损失，又可改善环境空气质量，达到大家满意的效果。

[1]杨冬，徐鸿，刘学亭.燃煤电厂SCR烟气脱硝技术综述. 中国电力教育,2006

[2]石磊.燃煤锅炉SCR法烟气脱硝技术.锅炉技术 ,2009

[3]吴金泉.浅谈SCR烟气脱硝工艺特点.海峡科学,2011

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.12.005