燃煤电厂SCR 烟气脱硝效率影响因素研究

2024-03-21梁宇宁黄纪荣李国峰赵树青

化学工程师 2024年2期

梁宇宁，黄纪荣，李国峰，赵树青，仲超

（1.晋控电力山西长治发电有限责任公司，山西长治 046021；2.山东创宇环保科技有限公司，山东济南 250000）

我国的煤炭资源储量十分丰富，并且煤炭的消耗量占我国能源消费的比例很高，其中大部分的电力资源和供热所需的能源都来自于煤炭[1-5]，而煤炭燃烧过程中会产生大量的污染物，主要包括粉尘颗粒物、氮氧化物、硫氧化物以及CO 等。其中氮氧化物对大气及生态环境的影响较为严重，氮氧化物的排放不仅会产生温室效应以及酸雨等自然灾害，人体吸入后还会对生命健康造成严重的威胁。因此，研究如何降低燃煤电厂氮氧化物的排放量具有十分重要的意义。

作为燃煤电厂烟气脱硝过程中最常用的技术，SCR 烟气脱硝技术从20 世纪60 年代就开始被提及，如今已在世界各国得到了较为广泛的推广及应用。SCR 烟气脱硝技术主要是通过选择性催化剂（SCR 催化剂）将烟气中的氮氧化物还原成N2和H2O，从而达到有效去除氮氧化物的目的[6-10]，其通常具有脱硝效率高、选择性强以及技术较为成熟的优点。SCR 催化剂是SCR 烟气脱硝技术的关键，其性能的好坏对SCR 烟气脱硝效果的影响至关重要，除此之外，实际应用过程中的反应温度、氨氮比例、空速、氧气浓度以及含水量等因素对SCR 烟气脱硝效率的影响也较大，选择合适的工艺参数能够大幅度提高SCR 烟气脱硝效率，并降低处理成本[11-15]。因此，本文以西部某燃煤电厂SCR 烟气脱硝系统为研究对象，以脱硝效率为评价指标，采用烟气脱硝反应实验装置研究了催化剂类型等因素对SCR 烟气脱硝效率的影响，为提高燃煤电厂SCR 烟气脱硝效率提供一定的参考和借鉴。

1 实验部分

1.1 主要材料及仪器

铁基金属氧化物催化剂F-1、锰基金属氧化物催化剂M-2、铈基金属氧化物催化剂C-3、钒基金属氧化物催化剂V-4，均为市售产品；铜基分子筛催化剂Cu-ZSM、铁基分子筛催化剂Fe-ZSM，均为自制产品；蒸馏水（实验室自制）；高纯N2（99.999%）、O2（99.999%）、NO（99.9%）、NH3（99.9%），湖南远创气体有限公司。

烟气脱硝反应实验装置（主要包括进气系统、减压阀、气体流量计、反应器、加热炉、混合罐、稳压罐以及烟气检测装置等，实验室设计并委托厂家加工）；KY-FA1004 型电子分析天平（河南秋佐仪器设备有限公司）。

1.2 SCR 烟气脱硝实验方法

以脱硝效率为评价指标，考察不同影响因素（催化剂类型、反应温度、氨氮比、氧气浓度、含水量以及空速）对SCR 烟气脱硝效率的影响，具体实验方法为：（1）将SCR 催化剂装入实验装置的反应器中，关闭加热炉，拧紧螺丝；（2）通入N2充压，关闭系统中的阀门，检测气密性；（3）开机预热10min，待系统温度达到设定值后，再使用N2对反应系统吹扫一遍；（4）使用NO 和O2混合模拟燃煤电厂烟气，待流量稳定后，再按照比例通入一定量的NH3，使用N2作为平衡气体，混合均匀后即得到实验用模拟气体；（5）在一定的空速和温度条件下将模拟烟气和一定量的水蒸气通入反应器中与SCR 催化剂接触反应，测定出气口烟气中NO 的含量变化情况，并按公式（1）计算脱硝效率Ф。

式中 C0：模拟烟气中NO 的初始含量，mg·L-1；C1：催化反应后出口烟气中NO 的含量，mg·L-1。

2 结果与讨论

2.1 催化剂类型的影响

在反应温度为300℃、氨氮比为1.0、O2浓度为5%、含水量为0%、空速为30000h-1的条件下，考察不同催化剂类型对SCR 烟气脱硝效率的影响，实验结果见图1。

图1 催化剂类型对SCR 烟气脱硝效率的影响Fig.1 Effect of catalyst type on SCR flue gas denitration efficiency

由图1 可见，在其他实验条件均相同的情况下，不同类型催化剂对SCR 烟气脱硝效率的影响较大，其中铜基分子筛催化剂Cu-ZSM 的脱硝效率最大，可以达到86.7%，明显优于其他类型的催化剂。因此，选择Cu-ZSM 作为目标燃煤电厂SCR 烟气脱硝用催化剂，来评价其他因素对SCR 烟气脱硝效率的影响。

2.2 反应温度的影响

在催化剂类型为Cu-ZSM、氨氮比为1.0、O2浓度为5%、含水量为0%、空速为30000h-1的条件下，考察不同反应温度对SCR 烟气脱硝效率的影响，实验结果见图2。

图2 反应温度对SCR 烟气脱硝效率的影响Fig.2 Effect of reaction temperature on SCR flue gas denitration efficiency

由图2 可见，在180～420℃范围内，随着反应温度的不断升高，SCR 烟气脱硝效率呈现出“先增大后减小”的趋势。当反应温度为320℃时，SCR 烟气脱硝效率达到最大，为88.4%，再继续升高反应温度，脱硝效率反而有所减小。分析原因是由于反应温度过高会影响SCR 催化剂的活性，并且温度过高还可能导致模拟烟气中的各组分之间发生副反应，对催化剂的使用效果产生不利影响，进而导致脱硝效率有所降低。因此，为了最大限度的提高烟气的脱硝效率并节约能耗，推荐反应温度为320℃。

另外，由图2 结果还可以看出，在180℃低温状态的烟气脱硝效率就能达到70%以上，也能够说明铜基分子筛催化剂Cu-ZSM 具有良好的低温催化效果，拓宽了其使用范围。

2.3 氨氮比的影响

在催化剂类型为Cu-ZSM、反应温度为320℃、O2浓度为5%、含水量为0%、空速为30000h-1的条件下，考察不同氨氮比对SCR 烟气脱硝效率的影响，实验结果见图3。

图3 氨氮比对SCR 烟气脱硝效率的影响Fig.3 Effect of ammonia nitrogen ratio on SCR flue gas denitration efficiency

由图3 可见，随着氨氮比的不断增大，SCR 烟气脱硝效率呈现出逐渐增大的趋势，当氨氮比达到1.0时，再继续增大氨氮比，SCR 烟气脱硝效率基本不再变化。分析原因是由于NH3与NO 之间发生的是一级反应，当氨氮比较低时，通过增大NH3的浓度，能够提高NH3在SCR 催化剂活性点位上的吸附量，从而使脱硝反应速率有所加快，提高了脱硝效率；而当氨氮比例超过1.0 时，过量的NH3会打破其在SCR催化剂活性点位上的吸附平衡，导致一部分NH3的脱附，从而不会使脱硝效率继续显著提升。因此，综合考虑脱硝效率与其他因素的影响，推荐最佳的氨氮比为1.0。

2.4 O2 浓度的影响

在催化剂类型为Cu-ZSM、反应温度为320℃、氨氮比为1.0、含水量为0%、空速为30000h-1的条件下，考察不同氧气浓度对SCR 烟气脱硝效率的影响，实验结果见图4。

图4 氧气浓度对SCR 烟气脱硝效率的影响Fig.4 Effect of oxygen concentration on SCR flue gas denitration efficiency

由图4 可见，O2浓度对SCR 烟气脱硝效率的影响较大，当不含O2时，SCR 烟气脱硝效率较低，仅为38.7%，而随着氧气浓度的不断增大，SCR 烟气脱硝效率则呈现出“先增大后减小”的趋势。当O2浓度达到5%时，SCR 烟气脱硝效率可以达到最大，再继续增大O2的浓度，SCR 烟气脱硝效率反而有所减小。分析原因是由于当O2含量较低时，随着O2浓度的逐渐增大，脱硝反应速率逐渐增大，有助于提升SCR烟气脱硝的效率；而当O2浓度过大时，有可能会引起不利于脱硝反应的副反应发生，从而影响SCR 烟气脱硝效率。因此，为使SCR 烟气脱硝效率最大化，推荐最佳O2浓度为5%。

2.5 含水量的影响

在催化剂类型为Cu-ZSM、反应温度为320℃，氨氮比为1.0、O2浓度为5%、空速为30000h-1的条件下，考察不同含水量对SCR 烟气脱硝效率的影响，实验结果见图5。

图5 含水量对SCR 烟气脱硝效率的影响Fig.5 Effect of water content on SCR flue gas denitration efficiency

由图5 可见，随着含水量的不断增大，SCR 烟气脱硝效率呈现出逐渐减小的趋势。当含水量由0%增大至1%时，SCR 烟气脱硝效率可由88.4%减小至80.3%，脱硝效率降低了8.1%，降低幅度较大，可见含水对SCR 烟气脱硝的影响比较大。当含水量增大至10%时，SCR 烟气脱硝效率仅为72.6%。分析原因是由于当烟气中不含水时，NH3会比较容易吸附在SCR 催化剂的表面，转变为吸附态，使NH3与NO 之间的反应能够顺利进行；而当烟气中含水时，水分子会占据一部分SCR 催化剂的活性位点，从而与NH3产生竞争吸附的作用，造成NH3吸附量减少，从而影响脱硝反应的进行，降低脱硝效率。因此，为最大程度的提高SCR 烟气脱硝效率，应尽可能的降低含水量。

2.6 空速的影响

在催化剂类型为Cu-ZSM、反应温度为320℃，氨氮比为1.0、O2浓度为5%、含水量为0%的条件下，考察不同空速对SCR 烟气脱硝效率的影响，实验结果见图6。

图6 空速对SCR 烟气脱硝效率的影响Fig.6 Effect of space velocity on SCR flue gas denitration efficiency

由图6 可见，随着空速的不断增大，SCR 烟气脱硝效率逐渐减小。当空速由10000h-1增大至30000h-1时，SCR 烟气脱硝效率由89.3%减小至88.4%，降低幅度并不大。而当空速继续增大至70000h-1时，SCR烟气脱硝效率则大幅减小至64.8%，降低幅度较大。这是由于当空速较小，烟气与催化剂之间的接触时间较长，使脱硝反应进行的更加彻底，脱硝效率较高；而当空速较大时，烟气与催化剂之间的接触时间较短，使脱硝反应不能充分进行，导致脱硝效率下降。但空速过小时，又会使催化剂的使用量有所增多，进而增加处理成本。因此，综合考虑脱硝处理效果和经济成本等因素，推荐最佳空速为30000h-1。