浅谈尿素法SCR烟气脱硝技术
摘要：燃煤电厂常规污染物排放与燃气发电基本同等清洁，为中国空气质量改善做出了巨大贡献。其中以降低火电厂氮氧化物（NOx）排放为目的的SCR烟气脱硝技术是目前最成熟的脱硝技术之一，在火力发电厂得到广泛的应用。本文介绍SCR尿素制取还原剂氨通常的两种方法热解和水解的制取过程、技术特点。
关键词:脱销；还原剂；尿素；热解；水解；安全；升级改造
一、脱硝技术
1.1SNCR技术
SNCR技术是在锅炉内适当温度（900～1100℃）的烟气中喷入尿素或氨等还原剂，将NOx还原为无害的N2和H2O，SNCR的脱硝效率可达到80%以上。大型锅炉由于受到炉膛尺寸的影响，还原剂在炉膛内较难均匀混合，SNCR的脱硝效率将低于40%。该技术在发生燃烧反应时放出大量的热，使得操作温度较高，对设备和催化剂要求高，需要有热量回收设备。根据国外的工程经验，脱硝效率约为25%～50%，对温度窗口要求严格，氨的逃逸率较大，可靠性差，在大型锅炉上运行业绩较少，更适合老机组改造，目前国内应用较少。
1.2SCR技术
SCR脱硝技术的原理是烟气和氨与空气的混合物在经过SCR反应器的蜂窝式或板式催化剂层时，烟气中的NOx（主要是NO以及少量的NO2）和加入SCR反应器中的NH3、空气中O2发生选择性催化还原反应，生成无污染的N2和水。SCR技术是目前应用最多而且最有成效的烟气脱硝技术，世界各国采用的SCR系统有数百套之多，在大型锅炉上具有相当成熟的运行业绩。SCR催化剂一般用以TiO2作为载体的V2O5、WO3及MoO3等金属氧化物，其反应过程为：NO、NH3、O2从烟气中扩散至催化剂的外表面并进一步向催化剂中的微孔表面扩散，在催化剂的微孔表面上被吸附，随后反应转化成N2和H2O。N2和H2O从微孔内向外扩散到催化剂外表面，再从催化剂表面上脱附下来，最后扩散到主流气体中被带走，烟气完成整个脱硝过程。上述反应温度可以在300～400℃之间进行，脱硝效率约为70%～90%。
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火电厂SCR法脱硝技术浅析
作者：谢航
来源：《科学与财富》2015年第33期
摘 要：目前，我国的发电机组绝大多数为燃煤机组，而以燃煤为主的电力生产所造成的环境污染是制约电力工业发展的一个重要因素。其中氮氧化物（NOx）对环境危害严重，为了改善大气环境必须对氮氧化物的排放进行控制，因此对电厂脱硝系统控制的研究有很重要的工程意义和现实意义。
关键词：火电厂；脱硝；催化还原
1.SCR法烟气脱硝的设备及工艺流程
1.1 SCR法烟气脱硝的技术原理
SCR烟气脱硝系统采用氨气（NH3）作为还原介质，基本原理是把符合要求的氨气喷入到烟道中，与原烟气充分混合后进入反应塔，在催化剂的作用下，并在有氧气存在的条件下，选择性的与烟气中的NOx（主要是NO、NO2）发生化学反应，生成无害的氮气（N2）和水（H2O）。
1.2 SCR法脱硝工艺流程及系统简介
SCR系统一般由氨的储存系统、氨与空气混合系统、氨气喷入系统、反应器系统等组成。通过向反应器内喷入NH3，将NOx还原为氮气。由于此还原反应对温度较为敏感，故还需加入催化剂增强反应活性，以满足反应的温度要求。
首先，由尿素颗粒溶解制成一定比列的尿素溶液储罐贮藏，由尿素溶液泵送至SCR反应区，经过热解炉与锅炉送出的热一次风混合成一定配比的空气，形成氨气体积含量为5%的混合气体，经稀释的氨气通过喷射系统中的喷嘴被注入到烟道隔栅中，与原烟气混合。在喷嘴数量较少的情况下，为了获得氨和烟气的充分均匀分布，要在反应塔前加装1个静态混合器。这样，从锅炉省煤器后出来的烟气经与部分旁路高温烟气混合调温（烟气在反应塔中与高温催化剂的反应最佳温度为330～380℃）后，进入反应塔，在催化剂的作用下，烟气中的NOx与氨气发生化学反应。由于环保要求脱硝停，运机组即停运，故反应塔前没有设置的烟气旁路。
SCR脱硝技术及其脱硝催化剂生产工艺
1、概述
SCR(selective catalytic reduction)是烟气选择性催化还原法脱硝技术的简称，是指在催化剂的作用下，利用还原剂（如NH3）“有选择性”地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。
也就是说SCR工艺的实质就是燃煤锅炉排放烟气中的NOx污染物与喷入烟道的还原剂NH3，在催化剂的作用下发生氧化还原反应，生成无害的N2和H2O。该工艺于20世纪70年代末首先在日本开发成功，80年代和90年代以后，欧洲和美国相继投入工业应用，现已在世界范围内成为大型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺。为避免烟气再加热消耗能量，一般将SCR反应器布置在锅炉省煤器出口与空气预热器之间，即高飞灰布置。此时烟气温度（300℃-430℃）正好是催化剂的最佳活性温度窗口。氨气在加入空气预热器前的水平管道上加入，与烟气混合，NOx在催化剂的作用下被还原为N2和H2O。目前常规应用的SCR技术为中温催化剂(280℃-420℃)，而现在正在研究开发的低温催化剂，可应用于200℃以下的烟气温度。
2、SCR反应过程
SCR技术是在金属氧化物催化剂作用下，以NH3作为还原剂，将NOx还原成N2和H2O。NH3不和烟气中的残余的O2反应，而如果采用H2、CO、CH4等还原剂，它们在还原NOx的同时会与O2作用，因此称这种方法为“选择性”。主要反应方程式为：
4NH3+4NO+O2─>4N2+6H2O (1)
NO+NO2+2NH3 ─>2N2+3H2O (2)
3、SCR系统设计条件
• 烟气流量
• 烟气温度
• 烟气成分和灰分成分
• 烟气入口NOx浓度
• 脱硝效率
• 空间速率
• NH3/NOx摩尔比
• SO2转化率
• NH3逃逸率
• 反应器运行压降
4 、SCR脱硝系统主要装置
• 氨存储和供应系统
SCR脱硝催化剂介绍
1．催化剂的化学组成
商业SCR催化剂活性组分为V2O5，载体为锐钛矿型的TiO2，WO3或MoO3作助催剂。SCR催化剂成分及比例，根据烟气中成分含量以及脱硝性能保证值的不同而不同。表2-2列出了典型催化剂的成分及比例。
表2-2 典型催化剂的成分及比例
催化剂 成分 比例(％)
主要原材料 TiO2 78
WO3 9
MoO3 0.5～1
活性剂 V2O5 0～3
纤维(机械稳定性) SiO2 7.5
Al2O3 1.5
CaO 1
Na2O＋K2O 0.1
活性组分是多元催化剂的主体，是必备的组分，没有它就缺乏所需的催化作用。助催化剂本身没有活性或活性很小，但却能显著地改善催化剂性能。研究发现WO3与MoO3均可提高催化剂的热稳定性，并能改善V2O5与TiO2之间的电子作用，提高催化剂的活性、选择性和机械强度。除此以外，MoO3还可以增强催化剂的抗As2O3中毒能力。
载体主要起到支撑、分散、稳定催化活性物质的作用，同时TiO2本身也有微弱的催化能力。选用锐钛矿型的TiO2作为SCR催化剂的载体，与其他氧化物(如Al2O3、ZrO2)载体相比，TiO2抑制SO2氧化的能力强，能很好的分散表面的钒物种和TiO2的半导体本质。
2．对SCR催化剂的要求
理想的燃煤烟气脱硝催化剂需要满足以下条件：
(1) 活性高 为满足国家严格的排放标准，需要达到80%～90%的脱硝率，即要求催化剂有很高的SCR活性；
(2) 选择性强 还原剂NH3主要是被NOx氧化成N2和H2O，而不是被O2氧化。催化剂的高选择性有助于提高还原剂的利用率，降低运行成本；
(3) 机械性能好 燃煤电厂大多采用高灰布置方式，SCR催化剂需长期受大气流和粉尘的冲刷磨损，并且安装过程对催化剂的机械强度也有一定的要求；
(4) 抗毒性强 烟气和飞灰中含有较多的毒物，催化剂需要耐毒物的长期侵蚀，长久保持理想的活性；
