SCR法脫硝技術在燃煤鍋爐中的應用研究
1 SCR法脫硝原理及特點
選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduc-tion，SCR）是指在催化劑的作用下，利用還原劑（如 NH3）“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O，目前已成為鍋爐煙氣NOx控制工程上應用最多的一種煙氣脫硝技術。
在SCR法脫硝過程中，主要的化學反應如下：
（1）4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
（2）6NO+4NH3→5N2+6H2O
（3）6NO2+8NH3→7N2+12H2O
（4）2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
反應式（1）為主要化學反應。反應所需的NH3/NOx比為化學計量關系。在不添加催化劑的條件下，較理想的上述NOx還原反應溫度為800℃～900℃，但這一溫度范圍“很狹窄”。當溫度在1050℃～1200℃時，NH3會氧化成NO，而且，NOx還原速度會很快降下來，當溫度低于 800℃時，反應速度很慢，此時需要添加催化劑，因此分為 SCR工藝和SNCR（選擇性非催化還原）工藝。
在SCR工藝中，催化劑安放在反應器的箱體內。催化劑單元通常垂直布置，煙氣由上向下流動。該工藝具有NOx脫除效率高、二次污染小的特點，但其投資費用及運行成本較高，脫硝過程影響因素多，關鍵技術難度大，因此需要進一步研發，降低其投資和運行成本。
SCR工藝的反應原理和典型工藝布置見圖1、圖2。
 |
 |
2 SCR法的催化劑
2.1 催化劑的種類及其失效原因
脫硝催化劑是SCR煙氣脫硝工藝的核心技術，其成本通常占脫硝裝置總投資的30%～50%。一般采用高溫催化劑，該催化劑以TiO2為載體，主要成分為 V2O5-WO3(MoO3)等金屬氧化物，這些成分占催化劑總量的99%以上，其余的微量組分根據鍋爐燃用的具體煤種添加。高溫催化劑具有較高的選擇性和脫硝效率，反應溫度一般為300℃～400℃，如果沒有高溫催化劑，脫硝反應在該溫度下幾乎不能進行。
為了滿足脫硝反應對溫度的要求，通常將SCR脫硝反應器布置于鍋爐省煤器和空氣預熱器之間。由于該區域煙氣含塵量大，因此粉塵和其它組分將會對催化劑的性能產生以下影響：
（1）催化劑的磨蝕
催化劑的磨蝕由于飛灰撞擊催化劑表面而形成。磨蝕強度與氣流速度、飛灰特性、撞擊角度及催化劑本身特性有關。
（2）催化劑的堵塞
由于氨鹽及飛灰小顆粒沉積在催化劑小孔中，阻礙 NOx、NH3、O2到達催化劑活性表面，導致催化劑鈍化。
（3）砷中毒
由于煙氣中的氧化砷（As2O3）擴散進入催化劑，并在活性和非活性區域固化。砷中毒與催化劑的毛細孔濃度有關。
（4）堿金屬（Ca、Na、K等）中毒
堿金屬和催化劑表面的活性位接觸，致使催化劑活性降低。
催化劑失效的因素與煤種密切相關，而我國各地區煤炭的品質差異很大（主要包括As、Ca、Na、K、 Mg、S、Cl等元素含量；灰分的含量和特性），這就需要針對煤種來設計催化劑的組分和結構，以提高催化劑的適應性。
開發高效、性能穩定的低溫催化劑，可以實現將 SCR反應器布置在除塵器之后，消除高灰段布置引起的磨蝕等不良影響，減輕對相關設備產生的負面影響，更好地與國內現有的鍋爐系統匹配。低溫催化劑目前仍處于試驗研究階段。
2.2 國內外脫硝催化劑的生產現狀
從20世紀60、70年代開始，日本就開始研制脫硝催化劑，到80年代末，歐洲和美國也逐漸發展了高溫催化劑。其主要工序是將V2O5、TiO2等混合后擠出成型、干燥、燒結再進行裁切、裝配等。
目前國外生產脫硝催化劑的主要廠家有，美國：康寧（Cormetech）；歐洲：托普索（Topsoe）、巴斯夫（Ceram）、亞吉隆 （Argillon）；日本：日立（Hi- tachi）、日本觸媒、觸媒化成、日立造船（Hitz）；韓國：SK。其中幾家單位的基本情況如下：
（1）Cormetech公司
該公司成立于1989年，是美國康寧（Corning）公司和日本三菱（Mitsibutshi）公司合資建立的企業，是 SCR煙氣脫硝催化劑的第一供應商，全球應用該公司產品的機組超過750臺。Cormetech的蜂窩式催化劑以大量的實驗室測量、工藝分析和現場性能測試來保證其性能。
（2）巴布科克日立公司（BHK）
BHK于20世紀60年代開始研發SCR脫硝系統和催化劑，并于70年代成功地將其產品投入了市場。應用其產品的機組總量超過580套，其中燃煤電站機組應用居世界第一，總量超過8萬MW。
（3）丹麥哈德托普索公司
該公司由哈德托普索博士于1940年創立，致力于多種催化劑的科研、開發及銷售，同時涉及技術專利轉讓、催化塔的工程和建設。
2.3 脫硝催化劑在SCR系統運行中存在的問題催化劑是SCR系統中的主要部件，其成分組成、結構、壽命及相關參數直接影響SCR系統脫硝效率及運行狀況。
（1）投資費用高
美國能源部提供的數據表明，催化劑的成本通常占總投資的20％以上。在日本等其他發達國家，對于 600MW機組，如果要求脫硝效率為80％，則催化劑的成本要占總投資的35％～40％。根據對我國現有SCR系統運行情況的調研可以看出，由于我國催化劑依賴進口，加之在使用過程中還需定期更換部分催化劑，造成催化劑的成本占總投資的比例就更高了。因而催化劑依賴進口成為我國火電廠推行SCR法的一個重要制約因素。
（2）催化劑的磨蝕、堵灰及中毒
SCR系統一般裝設在省煤器和空氣預熱器之間，此區域煙氣中攜帶的大量煙塵會對催化劑表面造成磨蝕和產生堵灰現象。在SCR的運行過程中，催化劑還受到堿金屬、水蒸汽、砷等物質的長期作用，會引起催化劑中毒。不論是催化劑的磨蝕、堵灰還是中毒，都是引起催化劑加速失效的重要原因。
（3）失效催化劑的處理
對于失效的催化劑，首先考慮的處理方式是催化劑的再生。催化劑的再生是把失去活性的催化劑通過浸泡洗滌、添加活性組分以及烘干的程序使催化劑恢復大部分活性。然而不是所有的失效催化劑都能夠通過再生方式回用。如果失效催化劑不采用再生的方法回用，那么就應該對其進行廢棄處理。目前對于蜂窩式SCR催化劑，一般的處理方法是把催化劑壓碎后進行填埋。填埋過程中應嚴格遵照國家有關危險固體廢物的填埋要求。對于板式催化劑，除填埋方式外，由于其中含有不銹鋼基材，還可以送至金屬冶煉廠進行回收利用。
3 SCR法還原劑
3.1 還原劑的來源
在SCR系統中的還原劑是氨，因此穩定、可靠的氨系統才能保證SCR系統的良好運行。通常SCR還原劑有三種：液氨、氨水或尿素。三種SCR還原劑的比較見下表。
 |
目前，日本和我國臺灣均采用液氨作還原劑，美國一般采用尿素，歐洲則由于地區不同對三種還原劑均有應用。
3.2 還原劑在SCR系統運行中存在的問題
SCR系統運行過程中，還原劑引起的問題主要表現在以下幾個方面：
（1）運行成本高
以國華太電2×600MW機組煙氣脫硝工程為例，該工程SCR系統設計脫硝效率為80％～90％，使用的還原劑為液氨，液氨的消耗量為412～464kg/h，液氨目前的市場價格（各地液氨市場價格有差異，本處取平均價格）在2500元/t左右，則SCR系統每小時消耗1100元左右的液氨，這對電廠來說是一筆不小的運行費用。有資料顯示，液氨作為還原劑的脫硝成本最小，氨水和尿素作為還原劑的成本分別是液氨的1.5倍和1.8倍。
（2）安全和環境風險
三種脫硝還原劑中，液氨和氨水都屬于危險化學品，在運輸、儲存和使用過程中都存在安全風險。尿素雖是無毒無害化學品，但在水解法制氨工藝中，要使用高壓轉化反應器，亦存在安全隱患。
三種脫硝還原劑在實際工程應用中各有利弊，具體選用何種方式制氨，需要進行詳細的技術經濟比較，結合企業的實際情況以及考慮氨來源的可靠性和穩定性來確定。
4 結語
綜上所述，SCR工程應用的研究對于國內燃煤污染物的控制而言，具有十分重要的現實意義，根據目前的評估，開展此項目的預期效果和前景非常好。自主開發的SCR脫硝工程技術將比引進國外同類成套技術的成本大大降低，這將有利于SCR脫硝技術在國內的商業化推廣和應用，是未來解決NOx排放問題的必需手段。
參考文獻：
[1] 鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術及工程實例[M].北京：化學工業出版社，2002.
[2] 孫克勤，鐘秦，于愛華. SCR催化劑的堿金屬中毒研究[J].中國環保產業，2007.
[3] 張鵬，姚強.用于選擇性催化還原法煙氣脫硝的催化劑[J].煤炭轉化，2005.
[4] 劉學軍.SCR脫硝技術在廣州恒運電廠300MW機組上的應用[J].中國電力39卷.
[5] 孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術及工程應用[M].北京：化學工業出版社, 2006.
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
