生活垃圾焚烧发电厂低温SCR烟气脱硝技术研究
刘广涛①，郭函君，吴李刚
（上海金自天正信息技术有限公司能源环境事业部，上海201901）
摘要：针对生活垃圾焚烧NO x处理要求的提高，提出一种低温SCR脱硝工艺，给出了该工艺的流程图，并详细分析了影响脱硝效果的因素，比较分析了相比SNCR、常规SCR，低温SCR工艺所具备的优势。
关键词：生活垃圾焚烧脱硝低温SCR
Study of low temperature selective catalytic regeneration of NO x in Municipal
Solid Waste incineration flue gas
Liu Guangtao,Guo Hanjun,Wu Ligang
（Energy and Environment Department,ShangHai Aritime Information
Technology CO.,LTD,ShangHai201901,China）
Abstract:Aiming at the increase of requirement on treatment of NO x in Municipal Solid Waste incineration flue gas,a low-temperature selective catalytic regeneration(SCR)is proposed,including the flow chart,the influence factor of the denitration efficiency,compared with SNCR and conventional SCR,low temperature SCR has more advantages.
Keywords:waste incineration；denitration；low-temperature SCR
０引言
随着城市化进程的加快，以及生活水平的不断提升，生活垃圾的产生量与日俱增，多城市出现了“垃圾围城”现象。利用垃圾焚烧发电，不仅解决了垃圾处理问题，同时变废为宝，产生电能，其环境价值、经济价值较高。我国新建的垃圾焚烧发电厂数量逐年增加，焚烧法在生活垃圾处理方式中所占的比例也逐年上升，到2020年底，全国设市城市垃圾焚烧处理能力占总处理能力的50%以上[1]。但不可避免的生活垃圾在焚烧过程中会产生含有颗粒物、HCL、SO2、NO x、二噁英等有害物质的烟气，目前的烟气处理方式是“半干法/干法脱酸+布袋除尘器”。适用于垃圾焚烧脱硝的技术主要有选择性非催化还原法（SNCR）和选择性催化还原法（SCR）[2]。
收稿日期：2013-09-16；2013-10-11修回
作者简介：刘广涛，男，1986年生，硕士，研究方向：大气污染控制工程。E-mail:lgt1102@https://www.doczj.com/doc/1c422892.html,
SNCR 脱硝技术是在850~1100℃的温度窗口内喷入氨水、尿素溶液等氨基还原剂，还原剂与NO x 发生反应而被去除[3]。SNCR 的脱硝效率在30%~60%之间，若为了提高脱硝效率而增加还原剂的喷入量，会造成氨逃逸，剩余的氨与烟气中HCL 、SO 3合成NH 4CL 、NH 4HSO 4沉淀在锅炉尾部受热面，导致锅炉的结垢、堵塞[4]。另外，有试验表明喷枪靠近喷头附近有液滴滴落，若滴落在锅炉水冷壁上，可能会造成水冷壁的腐蚀[5]。
SCR 技术是在O 2和非均相催化剂存在条件下，在300~400℃温度窗口内，用还原剂NH 3将烟气中的NO x 还原为N 2和H 2O ，SCR 的脱硝效率可达80%以上
[6]
。SCR 反应器的布置方式有三种：高温高尘、高温低尘、低温低尘，垃圾焚烧
厂倾向于低温低尘布置，将反应器布置于脱酸塔和布袋除尘器之后，使催化剂工作在低尘、低SO 2的无害烟气环境中，这样布置的好处是可以减少催化剂的堵塞和腐蚀问题，也可以避免催化剂的中毒问题，因此催化剂的寿命较长，但这样布置的主要问题是：布袋除尘器出口的烟气温度一般在120~180℃，因此，在烟气进入SCR 反应器之前需加热至300~400℃，这样大幅度的增加了能源消耗。
近年来，低温SCR 催化剂得到了广泛研究，本文提出一种低温SCR 处理垃圾焚烧NOx 的方式。
1工艺流程
低温SCR 技术是在O 2和催化剂存在条件下，在120~200℃温度窗口内，用还原剂NH 3将烟气中的NOx 还原为N 2和H 2O ，反应原理[7]：
O
H N NO NH N NH 22200~1202322200~1202312768O H 64O NO 44+???→?++???→?++℃℃
图1：低温SCR工艺流程图
布袋除尘器出口的烟气温度一般在150℃左右，低温SCR反应器布置于布袋除尘器之后，烟气不需要加热。系统由氨储罐、氨蒸发器、氨缓冲罐、稀释风机、氨/空气混合器、喷氨格栅、混合单元、催化剂组成。工艺流程：氨水或液氨经蒸发器转化为NH3，并经氨缓冲罐，在氨/空气混合器内，稀释空气将NH3稀释，稀释后的NH3经喷氨格栅喷入烟道中，与烟气均匀混合，并在低温SCR 反应器内发生还原反应而将NO x去除。工艺流程图如图1。
2脱硝影响因素分析
NO x的脱除效率主要取决于还原剂类型、催化剂的物化性质、反应温度、NH3与NO x的摩尔比、反应时间、入口烟气含尘量、SO2/SO3转化率等。
2.1还原剂
低温SCR所使用的还原剂一般可由液氨、氨水或尿素制备得到。
液氨为GB12268-90规定的危险品，通常以加压液化方式储存，液氨转变为气态时会膨胀850倍，并形成氨云。若泄露到空气中时，会与空气中的水形成氨云，不易扩散，对附近人身安全造成危害。
尿素含氮量通常大于46%，是无毒、无害的化学品，便于运输和储存。使用尿素作为原料的系统需要经过热解或者水解来得到，因此从能耗和物耗角度分析，尿素系统的运行费用要高于液氨系统。
用于脱硝的还原剂通常采用浓度为20%~29%的氨水，较液氨相对安全。三种低温SCR还原剂的综合比较如表1
表1三种SCR还原剂的比较
低温SCR还原剂液氨氨水尿素还原剂成本便宜（100%）贵（约150%）最贵（180%）生成1kg氨气所需原料量 1.01kg（99%氨）4kg（25%氨） 1.76kg 运输成本便宜贵便宜
安全性有毒有害无害
储存方式储罐（液态）储罐（液态）料仓（微颗粒）
初始投资费用便宜贵贵
运行费用便宜，需要热量
蒸发液氨
贵，需要高热量蒸
发、蒸馏水和氨
贵，需要高热
量水解尿素
和蒸发氨
设备安全要求有相关法律规定需要不需要
2.2低温SCR催化剂
催化剂是低温SCR脱硝工艺的核心，催化剂一般由载体和活性组分两部分构成。目前有关低温SCR催化剂的研究主要集中在两个方面[8]：
（1）活性组分，如Mn、Cu、Fe、Cr、Mo、V、Ni等金属氧化物；
（2）载体物质，如TiO2、Al2O3、活性炭和活性炭纤维等。
2.2.1以TiO2为载体的低温SCR催化剂
由于TiO2表面具有比较丰富的Lewis酸性位[9]，有利于NH3在低温条件下的活化，大量研究[10-11]表明Mn/TiO2催化剂显示出优异的低温脱硝性能。研究[12]发现，Mn负载量为10%时，在150℃条件下，NO去除率可达90%。当在Mn/TiO2催化剂上负载过渡金属（Fe、Cu、Ni、Cr等）时，可以有效提高催化剂在低温范围的活性，其中Fe的作用最为明显，在150℃左右时NO的去除率接近100%[13]。
除Mn以外，Cu、Fe、Cr、Mo、V、Ni也可以作为活性组分负载于TiO2载体上，在低温条件下，Mn的氧化物催化活性优于这些金属氧化物[14]。
2.2.2以Al2O3为载体的低温SCR催化剂
由于Al2O3表面含有大量的羟基，有利于在低温条件下将NO氧化为NO2，从而加速NO x和NH3之间的反应，主要有：CuO/Al2O3、Mn/Al2O3、Ce/Al2O3、Pt/Al2O3以及Pt-Cu/Al2O3、Pt-Mg/Al2O3，实验表明，这些催化剂在低温条件下均
有较好的脱硝性能，其中Pt-Cu/Al2O3在200℃以下，脱硝率达80%以上[15]。
Pt-Mg/Al2O3，可获得100%的脱硝率，当进气中具有H2O、CO2、CO的条件下表现出很高的稳定性[16]。
2.2.3碳基催化剂
活性炭（AC）和活性炭纤维（ACF）具有较大的比表面积，吸附能力强，温度越低越利于吸附，是常用的催化剂载体。在活性炭或者活性炭纤维上负载Mn、Fe、V、Cu等金属氧化物，研究[17]表明，Mn/ACF在150℃时，脱硝率达到92%。
2.2.4以SiO2、沸石、碳纳米管为载体的低温SCR催化剂
SiO2和沸石同样具有较大的比表面积，可以作为催化剂的载体。碳纳米管（CNTs）具有优良的吸附能力、特殊的电学和机械性质，可以作为低温SCR催化剂的载体，研究[18]表明，V/CNTs催化剂在100~200℃温度窗口内表现出了很好的催化活性，钒上的Lewis酸位是NO还原的活性位置，同时，催化剂低温SCR活性与碳纳米管直径成正比关系，直径越大，低温SCR活性越高。
2.2.5低温SCR催化剂的比较
表2比较了多种低温催化剂的性能，综合比较了反应温度、脱硝效率、催化接触时间、成本、抗水抗硫稳定性等。从表2中可以看出Mn+Fe/TiO2在150℃低温条件下表现出最优的催化活性，且具有优异的抗水抗硫稳定性，建议优先选用。
表2低温催化剂的比较
载体活性组分
比较项目
温度脱硝效率接触时间成本抗水抗硫稳定性
TiO2
Mn150℃90%0.5s中一般Fe250℃60%0.5s低一般Cu150℃85%0.5s低较差Cr150℃65%0.5s低一般V150℃70%0.5s低一般Ni250℃20%0.5s低一般Mn+Fe150℃100%0.5s高优异
Al2O3Mn150℃85%0.5s中优异Cu200℃80%0.5s低较差Ce250℃80%0.5s高优异
Pt200℃70%0.5s高优异Pt+Cu200℃80%0.5s高优异Pt+Mg200℃100%0.5s高优异
AC/ACF Mn150℃90%0.5s中一般Fe150℃40%0.5s低一般V150℃70%0.5s低一般Cu150℃85%0.5s低较差
2.3生活垃圾焚烧发电厂低温SCR反应温度
低温SCR反应器布置于脱酸与袋式除尘系统之后，考虑到烟气温度需高于酸性气体露点温度15℃，一般运行温度在：150~180℃，通过上文分析，有多种低温SCR催化剂在此温度窗口显示出优越的脱硝性能，与高温SCR比较，在此温度范围有利于延长催化剂的使用寿命。
2.4NH3与NO x的摩尔比
NO x的脱除率会随着氨氮摩尔比增加而增加，当氨氮摩尔比小于1时，其影响更加明显。若NH3投入量超过需要量，一方面NH3氧化等副反应的反应速率将增大，降低脱硝效率，另一方面也造成氨逃逸，造成二次污染。在低温SCR 工艺中，一般控制氨氮摩尔比在0.9以下。
表3比较了三种脱硝工艺NH3消耗量，由表中可以看出同一脱硝量条件下，低温SCR消耗NH3的量与常规SCR相当，低于SNCR约25%，且在150~180℃低温条件下，发生副反应的可能性极小，氨逃逸最小。
表3三种脱硝工艺NH3消耗量比较
操作温度（℃）NH3/NOx
摩尔比
氨逃逸
（ppm）
NOx脱除量
（kg/h）
NH3消耗量
（kg/h）
SNCR850~1100 1.25~203017.5
常规SCR300~4000.9<53013.2
低温SCR150~1800.9<33013
2.5其他影响因素
影响脱硝效率的其他因素包括：接触时间、入口烟气含尘量、SO2/SO3转化率等。烟气与催化剂接触时间越长，越有利于反应气在催化剂微孔的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散，从而使脱硝效率越高。但是，若接触时间太长，一方面NH3氧化反应开始发生，使脱硝效率下降，另一方面，使反应器体积庞大，增加投资。入口烟气中含有的尘量会造成催化剂磨损、堵塞，甚至中毒，而由于
低温SCR反应器布置于布袋除尘器之后，烟气比较干净，含尘量少，对催化剂的影响比较小。若在低温SCR催化剂床层中将SO2氧化为SO3，这对低温SCR 脱硝反应而言是非常不利的，因为SO3与烟气中的水以及NH3反应，从而生成硫酸氨和硫酸氢氨，这些硫酸盐，尤其是硫酸氢氨会造成催化剂腐蚀、堵塞、中毒，但是低温SCR反应器布置于脱酸系统和布袋除尘系统之后，SO2含量微乎其微，对低温SCR脱硝系统影响小。
3结论
考虑到环保要求的不断提升，垃圾焚烧发电厂需实施高效的脱硝措施。本文提出将低温SCR脱硝技术应用于生活垃圾焚烧发电厂，将SCR反应器布置于脱酸和布袋除尘器之后，烟气不需要加热，在150℃左右，达到90%以上的脱硝效率。避免了SNCR技术可能存在的脱硝效率低、锅炉结垢、水冷壁腐蚀等问题。与常规SCR相比，低温SCR无需将烟气加热至300~400℃，节省了大量的能源。以NOx初始浓度450mg/Nm3计，实施低温SCR脱硝技术，NOx排放浓度为
45mg/Nm3，全面优于日本、欧盟等发达国家的排放标准，为垃圾焚烧发电提供了行之有效的、节约能源的、高效的脱硝方法。
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