SCR烟气脱硝技术

选择性催化还原（SCR ）法烟气脱硝技术孔旭东 1100200619摘要：选择性催化还原（SCR ）烟气脱硝技术以其高效的特点在国外得到了普遍的应用。

本文概述了SCR 法的基本原理、催化剂的分类及成型布置方式、SCR 系统在电站锅炉系统中的布置方式、系统的构成和主要装置设备以及工程应用中常见的问题和解决办法。

参考以飞灰作为载体，担载CuO 、Fe2O3等金属氧化物作为活性成分进行活性测试，在实验室理想气体条件下具有较高的效率。

关键词：选择性催化还原，催化剂，SCR 系统，飞灰引言随着环保意识的提高，火力发电厂的污染物排放面对越来越大的压力。

化石燃料在燃烧过程中产生的氮氧化物（NOx ）是酸雨形成的主要因素之一，因此受到广泛的关注。

我国大型火电厂绝大部分是常规的燃煤电站，而NOx 是燃煤电厂的主要污染物之一。

根据NOx 的生成机理，在实际的应用中，主要采用低NOx 燃烧技术和烟气脱除的办法对其进行控制。

其中，低NOx 燃烧技术已在国内新建电厂得到广泛的应用，而烟气脱硝技术在国外得到了一定程度的应用。

烟气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx 排放的方法，具有很高的脱除效率，应用较为成熟的有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、电子束法以及炽热碳还原等技术。

其中SCR 烟气脱硝率能达到90％以上，具有脱除效率高、运行可靠、便于维护等优点，因此目前的使用最为广泛。

一．SCR 烟气脱硝技术1.1 SCR 反应的原理SCR 技术是还原剂（电厂主要用NH3）在金属催化剂的作用下，将NOx 还原为对大气环境影响不大的氮气和水。

“选择性”是指氨有选择地进行还原反应，在这里它只选择还原NOx 。

目前，国外学者已经在SCR 反应的反应物是NO 达成了一致，而不是NO 2，并且O 2参与了反应。

主要的化学反应式为：32224446N O N H O N H O ++→+3222223N O N H N O N H O ++→+232268712N O N H N H O +→+232224236O N H N O N H O ++→+反应原理如图1所示图1 SCR 反应原理上述反应，在没有催化剂的情况下，只在980℃左右很窄的温度范围内进行；但在催化剂的作用下，反应温度可以大大降低，在300～400℃时即可反应。

1.2 SCR 反应的催化剂SCR 法所用的催化剂主要有3类：第一类是Pt-Rh 和Pd 等贵金属类催化剂, 通常以氧化铝等整体式陶瓷作为载体，最早布置的SCR 系统中多采用这类催化剂，其对SCR 反应有较高的活性且反应温度较低，但是缺点是对NH3有一定的氧化作用。

因此在八、九十年代以后逐渐被金属氧化物类催化剂所取代，目前仅应用于低温条件下以及天然气燃烧后尾气中NOx 的脱除。

第二类是金属氧化物类催化剂，主要包括V2O5 (WO3)、Fe2O3、CuO 、CrOx 、MnOx 、MgO 、MoO3、NiO 等金属氧化物或其联合作用的混合物，通常以TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2、活性炭（AC ）等作为载体，且这些载体通常主要作用是提供具有大的比表面积的微孔结构，在SCR 反应中所具有的活性极小。

当采用这一类催化剂时，通常以氨或尿素作为还原剂。

反应机理通常是氨吸附在催化剂的表面，而NO 的吸附作用很小。

在这一类催化剂中，以具有锐钛矿结构的TiO2做载体，钒作为主要活性成分的催化剂在工程中应用最为广泛，其技术发展也最为成熟。

其活性温度区间在300－400℃。

在这类催化剂中通常还加入WO3和/或MoO3，其主要作用是增加催化剂的活性和增加热稳定性，防止锐钛矿的烧结和比表面积的丧失。

另外WO3和MoO3的加入能和SO3竞争TiO2表面的碱性位，并代替它，从而限制其硫酸盐化。

在催化剂的制备过程中还加入玻璃丝、玻璃粉、硅胶等以增加强度、减少开裂，并加聚乙烯、淀粉、石腊等有机化合物作为成型粘结剂。

第三类是沸石分子筛型，主要是采用离子交换方法制成的金属离子交换沸石。

通常采用碳氢化合物作为还原剂。

所采用的沸石类型主要包括Y-沸石、ZSM 系列、MFI 、MOR 等，特别是Cu-ZSM-5，国外学者的研究工作较多。

这一类催化剂的特点是具有活性的温度区间较高，最高可以达到600℃。

同时，这类催化剂也是目前国外学者研究的重点，但是工业应用方面还不多。

在工程应用中，催化剂的布置方式有两种，一种是平板式，一种是孔道式。

在孔道式结构中，又分为两种主要形式，一种是以TiO2为代表的均质整体式蜂窝陶瓷结构，一种是具有涂层结构的整体式蜂窝陶瓷催化剂，通常采用具有大比表面积的材料对蜂窝陶瓷基体进行扩表并担载活性成分。

1.3 SCR 反应系统的布置方式电站锅炉和大型工业锅炉应用中通常有几种不同的SCR 布置方式，其中根据其布置位置的不同，主要包括高尘、低尘以及尾部布置方式。

在反应器的设计型式上，也包括整体式的SCR 和烟道中的SCR 。

图2 国内SCR 脱硝常规布置方式1.3.1 高尘SCR 系统锅炉负载信号 省煤器 混合器 液氨蒸发槽 液氨储槽 液氨缓冲槽 氮氧化物监视器烟囱脱硫 DeSOx FIC 空 预 器 电除尘 锅炉 脱硝 DeNOx 稀释 风机 FD F在这种方式中SCR布置在省煤器的下游、空气预热器和除尘装置的上游，如图1所示。

在这一位置布置，采用金属氧化物催化剂，烟气温度通常处于SCR反应的最佳温度区间。

图3理论上，SCR脱硝硝装置可以布置在水平烟道和垂直烟道中，但对于燃煤锅炉，一般应布置在垂直烟道中，这是因为烟气中含有大量粉尘，布置在水平烟道中易引起SCR脱硝装置的堵塞。

在反应器内通常布置多层催化剂。

在反应器中还要布置吹灰装置以移除催化剂表面上沉积的颗粒物。

对于燃煤锅炉而言，其蜂窝状催化剂的孔道间距为7-9mm，对燃气锅炉为3-4mm，减少孔道间距可以增加单位体积催化剂的表面积但是同时增加了孔道堵塞的可能性。

因此在设计中通常综合考虑以上两种因素进行。

为保证稳定均匀的烟气流率并便于吹灰装置工作，在催化剂床层的上方，通常布有旋转风板和流动矫正栅格。

在SCR反应器的底部装有集尘箱，收集从烟道中脱除下来的飞灰。

在仓斗的出口同电厂的飞灰处理系统相连接，定期除灰。

在烟道中剩余的飞灰直接随烟气进入空气预热器中。

在有些设计中，不需要集尘箱，而是通过保持烟气足够的流速而避免飞灰的沉降。

1.3.2 低尘SCR系统在燃煤锅炉系统中，当静电除尘器布置在空气预热器的上游（hot-side ESP），通常使用低尘SCR系统。

另外，低尘SCR不需要集尘箱，在设计蜂窝状催化剂的时候，催化剂的孔间距可以大约缩小到4-7mm，这样所需要的催化剂体积相应的减小。

更长的催化剂寿命，更小的催化剂体积和不必采用集尘箱这些都意味着低尘SCR系统较高尘SCR系统具有更低的成本。

低尘SCR的缺点是当烟气通过ESP之后温度有所下降。

但是烟气温度通常不会下降到需要重新进行加热的温度点。

但是，在这种情况下，可能需要增加省煤器旁路的尺寸以保证温度维持在SCR系统所需要的可操作温度区间范围之内。

1.3.3 尾部布置SCR系统在欧洲和日本早期建造的燃煤锅炉电站系统中，通常采用的是尾部SCR布置。

在这种布置方法中，通常将SCR反应器布置在所有的气体排放控制设备之后，包括颗粒物控制设备和湿法烟气脱硫。

在前面的气体控制设备中，已经移去了绝大多数对SCR催化剂有害的组分。

但是，由于在尾部烟气的温度低于NH3/NOx反应所需要的温度区间，因此烟气需要被重新加热。

通常使用油或天然气的管路燃烧器或蒸汽式油加热器进行加热。

再热烟气的热能通常有一部分通过气－气换热器中进行回收。

1. 4催化剂装载型式的选择选择合适的催化剂装载形式对于SCR 技术能够成功应用也是十分关键的。

试验结果和应用结果表明，催化剂因烟气的特性不同而不同。

对于煤粉炉，由于排出的烟气中携带大量飞灰和SO 2，因此选择的催化剂除具有足够的活性外，还应具有隔热、抗尘、耐腐、耐磨以及低SO 3转化率等特性。

目前主要催化元件是以陶瓷TiO 2为基材与具有活性的WO 3和V 2O 5共同挤压成型，已经应用的主要有蜂窝式和板式两种，如下图所示。

1.5 SCR 系统的构成及主要装置和设备SCR 的基本的操作运行过程主要包含以下的几个步骤：1）氨的准备与储存；2）氨的蒸发并与预混空气相混合；3）氨与空气的混合气体在反应器的适当位置喷入烟气，其位置通常在反应器的入口附近的烟气管路内；4）喷入的混合气体与氨气的混合；5）各反应物向催化剂表面的扩散并进行反应。

因此，根据上面的反应过程，烟气脱硝系统由氨气制备系统和脱硝反应系统两部分组成。

脱硝反应系统由SCR 催化反应器、喷氨系统、空气供应系统所组成。

此外还有控制系统根据反应器入口NOX 的浓度调整喷氨量。

液氨存储和供应系统包括液氨卸料压缩机、液氨储槽、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽和氨气稀释槽、废水泵、废水池等。

SCR 的其它辅助设备和装置主要包括SCR 反应器的入口和出口的管路系统，SCR 的旁路管路，吹灰装置，省煤器旁路管路系统，以及增加脱硝装置后需要升级或更换的尾部引风机。

增加SCR 旁路管路系统主要是因为当锅炉处于低负荷运行的时候，反应器入口的温度可能会下降到低于催化剂的最佳反应温度区间，此外在锅炉的停机以及开机运行期间，其温度也会产生很大的波动，因此需要SCR 反应器的旁路使烟气绕过反应器，已避免在非活性温度区间内使催化剂中毒或使催化剂的表面受到污染。

同时该系统要进行密闭防止烟气进入SCR的反蜂窝式 板式 图4应器中。

在SCR 系统的运行过程中，大约每周都要进行1－2次吹灰，每次持续大约30分钟到两个小时左右。

吹灰装置布置在每层催化剂的上方。

其作用主要是移去催化剂表面上的颗粒物，以防止活性位的覆盖及烟气通路的阻塞。

省煤器旁路的主要作用是当烟气的温度较低时，引一路烟气绕过省煤气直接进入SCR 的反应器中，以保证烟气的温度处于SCR 催化剂的活性温度区间之内。

在锅炉机组中增加了SCR 系统后，其所需增加的风机出力大概锅炉发电功率的0.3%左右。

二．影响SCR 脱硝效率的主要因素理论上，当NH 3和NOx 的摩尔比为1：1时，能够将烟气中的NOx 完全脱除。

在实际应用中，从经济性的角度考虑，希望氨在脱硝装置出口烟气中的浓度只有几个ppm 时，能达到较佳的脱硝效果。

因此，在设计中就需要考虑很多因素，需要在适当的烟气温度、最佳的烟气速度条件下，NH 3和NOx 在合适的比例下混和，烟气通过催化剂，完成脱除NOx 的反应。

脱硝装置入口的烟气速度分布、温度分布以及NH3和NOx 摩尔比的分布，对脱硝装置出口的NOx 分布以及最终的脱硝效果有着最重要的影响。