SCR烟气脱硝工艺的设计特点

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方法。本文从SCR工艺的原理出发，介绍了与德国STEULER公司在烟气脱硝技术方面合作的相关运行工艺。

随着我国经济的发展，能源消费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类生存的四大杀手。燃煤烟气中所含的烟尘、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。

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开展。有研究资料表明，如果不继续加强对烟气中氮氧化物的治理，氮氧化物的总量及其在大气污染物中所占的比重都将上升，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、日等发达国家的烟气脱硝技术，为适应国内烟气脱硝市场的需要，福建某环保公司于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，中方负责开拓市场、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）是脱硝效率高、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80%～90%。日本约有170套装置，接近100GW容量的电厂几乎都安装了这种设备；美国政府也将SCR技术作为电厂主要的NOx控制技术，SCR方法已成为目前国内外电厂脱硝的主流技术。

1.1 SCR工艺烟气脱硝原理

在催化剂作用下，向温度为280℃～420℃的烟气中喷入氨，将NO还原成H₂和H₂O。化学反应方程式如下：

（1）在有氧的条件下：

4NH₃+4NO+O₂→4H₂+6H₂O

4NH₃+2NO₂+O₂→3H₂+6H₂O

在无氧（或者缺氧）的条件下：

NO+NO₂+2NH₃→2H₂+3H₂O

（2）在反应条件改变时，有可能发生以下副反应:

4NH₃+3O₂→2H₂+6H₂O

2NH₃→H₂+3H₂

4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O

由于该反应没有其他副产物产生，并且装置结构简单，因此适合处理大量烟气。

1.2 SCR烟气脱硝工艺的影响因素

（1）温度对催化剂反应性能的影响

目前，应用于电厂烟气脱硝中的SCR催化剂有很多种，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，催化剂的活性就会降低，脱硝效率也会随之下降，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则容易被氧化，会增加NOx的生成量，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，一般可以将催化剂分为三类：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℃。

（2）空塔速度（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（标准状态下的湿烟气）体积流量与SCR反应塔中催化剂体积的比值，反映了烟气在SCR反应塔内的停留时间的长短。烟气的空塔速度越大，其停留时间就越短。一般SCR的脱硝效率会随烟气空塔速度的增加而降低。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。

（3）摩尔比对NO转换的影响

理论上，lmol的NO需要1mol的NH₃去脱除。根据化学反应平衡原理，NH₃量不足会导致NOx的脱除效率降低，但在工程实践中，NH₃过量又会带来对环境的二次污染，因而一般在设计过程中，NH₃/NO值控制在0.8～1.2的范围内比较合适，并且应随机组负荷的变化而变化。

（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，催化剂的选择不仅要考虑反应温度，还要考虑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分的载体压制而成；蜂窝式催化剂一般是把载体和活性成分的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。当前各种催化剂的活性成分大部分为WO3和V2O5。各种催化剂性能参数的比较见下表：

2 德国STEULER公司烟气脱硝工艺简介

2.1 高粉尘布置的SCR工艺特点

（1）优点

1）反应温度较高，可选择的催化剂种类较多；

2）相对于低粉尘布置和末端布置，SCR高粉尘布置的工艺流程省去了烟气再热系统，从而节省了投资和运行成本；

3）已完成工业化运用，并且已有20年的运行经验，是目前广泛应用的火电厂烟气脱硝工艺。

（2）缺点

1）由于粉尘浓度较高，所以粉尘对催化剂的冲刷和磨损较大；

2）省煤器是与锅炉本体相连的，对于大型机组而言，SCR反应器的重量较大，所以一般要设置独立的SCR反应器的支撑钢架，这就涉及到锅炉需重新调整和负荷重新计算的问题；

3）由于流程较长，容易发生氨泄漏；

4）烟气中含有大量的SO₂，催化剂可使部分SO₂氧化，生成较难处理的SO3，并可能与泄漏的氨生成腐蚀性很强的硫酸铵（或者硫酸氢铵）盐物质，因而容易腐蚀后续的空气预热器和静电除尘器。

2.2 低粉尘布置的SCR工艺特点

（1）优点

1）锅炉烟气经过静电除尘器之后，粉尘浓度下降，可以延长催化剂的使用寿命；

2）与锅炉本体独立，不影响锅炉的正常运行；

3）氨的泄漏量小于高温布置方式的泄漏量。

（2）缺点

1）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SO3，并可能与泄漏的氨生成腐蚀性很强的硫酸铵（或者硫酸氢铵）；

2）由于烟气温度较低（约为160℃），可供选择的催化剂的种类较少；

3）国内没有运用经验，国外可供参考的工程实例也比较少。

2.3 SCR反应器末端布置的工艺特点

（1）优点

1）锅炉烟气经过除尘脱硫后，可以采用更大的流速和空速，从而使催化剂的消耗量大大地减少；

2）氨的逃逸量是最少的，并且不会腐蚀构筑物（烟囱需采用防腐烟囱）；

3）不会产生SO3，可防止二次污染。

（2）缺点

1）必须要设置烟气再热系统，增加了投资和运行成本；

2）很难找到符合反应条件的催化剂。

3 总结与建议

国家环保总局2004年经修改后发布的《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，还须预留烟气脱除氮氧化物装置的空间。相应的《排污费征收标准管理办法》从2004年7月1日起执行。每当量氮氧化物征收排污费0.6元（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：

（1）应当完善烟气脱硝的相关法律法规和技术标准。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；

（2）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；

（3）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的方式，首先采取低氮燃烧加上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的脱硝空间；

（4）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；

（5）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，但目前因技术尚不成熟而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.