浅谈SCR烟气脱硝工艺特点

福建鑫泽环保设备工程有限公司 吴金泉



浅谈SCR烟气脱硝工艺特点

福建鑫泽环保设备工程有限公司 吴金泉

选择性催化还原法（SCR）是目前国际上处理火电厂锅炉烟气氮氧化物的最主要工艺。我公司于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，并在国内开展烟气脱硝工艺及其工程应用研究。该文介绍SCR工艺原理、影响因素，及合作公司的相关工艺流程特点。

烟气脱硝 SCR 脱硝催化剂 脱硝工艺

随着我国经济的发展, 在能源消费中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。在我国，二氧化硫、氮氧化物等有害物质主要是由燃煤过程产生的。排放燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨的主要来源。

经济的发展同时伴随着耗电量的剧增，这使得燃煤电厂的烟气排放成为重点关注对象。目前，我国已经开展了大规模的烟气脱硫项目, 但烟气脱硝正待全面展开。有研究资料表明，近年酸雨的类型已经从硫酸型向硫酸和硝酸复合型转化，如果再不加强对烟气中氮氧化物的治理, 氮氧化物的总量和在大气污染物中的比重都将直线上升, 并有可能取代二氧化硫成为大气中的主要污染物。

我国烟气脱硝技术研究和项目实施起步较晚，目前国内运行的较大型和大型的烟气脱硝装置所采用的工艺均为引进欧、美、日等发达国家的技术, 为适应国内烟气脱硝市场的需要，我公司于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，我方负责消化技术、组织工程设计，开拓国内市场。

1 SCR烟气脱硝工艺

当前，在众多的烟气脱硝工艺中，选择性催化还原法（SCR）是脱硝效率、使用率最高，最为成熟的主流脱硝工艺。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，大约有170套装置接近100GW容量的电厂安装了这种设备；在欧洲已有120 多台大型装置的成功应用经验，其NOx的脱除率可达到80%~90%；美国政府也将SCR技术作为主要的电厂控制NOx技术，已建成157套装置，总容量约100GW；我国目前也已有几十套装置投入建设或运行中。

所谓SCR脱硝工艺，是指常压下，向含有氮氧化物和具有适宜温度的烟气中喷入约5%的气氨，并使其混合均匀、流经装有催化剂的反应器，进行NOx与NH3的选择性还原反应而生成无害的N2和H2O。

1.1 SCR法烟气脱硝原理

在催化剂作用下，向温度约320℃～420℃的烟气中喷入氨，将NOx还原成N2和H2O。化学反应方程式如下：

在有氧的条件下：

在无氧（或者缺氧）的条件下：

当反应条件改变时，就有可能发生以下副反应：

温度＞350℃（450℃以上开始激烈）：

温度＜300℃：

因此，控制好反应条件，可选择性地使脱硝反应向着理想的方向进行，同时最大限度地节约还原剂消耗。

1.2 SCR烟气脱硝工艺的影响因素

1.2.1 温度对催化剂反应性能的影响

催化剂的应用设计是SCR工艺的重要环节，而采用何种催化剂又与SCR反应器的布置方式密切相关。常压下，一般将脱硝催化剂按使用温度区分为三类：高温催化剂(345℃～590℃)、中温催化剂(260℃～380℃)和低温催化剂(80℃～300℃)。可运用于电厂锅炉烟气脱硝装置中的SCR催化剂材料种类、配方很多，不同的催化剂，其适宜的反应温度各异。

目前，国内外SCR工艺系统大多采用V2O5-MoO3（WO3）/TiO2高温催化剂，且尽可能寻优控制反应温度在350℃～380℃。如果反应温度太低,催化剂的活性降低,脱硝效率下降，不仅达不到脱硝的效果，而且，将伴随形成铵盐的副反应发生，导致催化剂的失效和后续设备的黏堵、腐蚀；如果反应温度太高,NH3容易被直接分解和氧化,在增加氨耗的同时还使生成NO的量增加,甚至引起催化剂材料的相变,导致催化剂的活性微晶烧结、损毁。

1.2.2 空速（SV）对脱硝反应的影响

烟气在SCR反应器中的空塔速度是SCR的一个关键设计参数, 它是折算为标准状态下的湿烟气体积流量与SCR反应器中催化剂体积的比值, 反映了烟气在SCR反应器内的停留时间大小。烟气的空塔速度越大，其停留时间越短。通常，SCR的脱硝效率将随烟气空塔速度的增大而降低。空塔速度是根据SCR反应器的布置、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。对于常用的高尘布置流程，欧洲经济委员会推荐空速值为2500～3500h-1。

1.2.3 摩尔比对NO转换的影响

烟气中NOx约占95%的为NO，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NH3对环境的二次污染，故在实际设计过程中，恰当的NH3/NOx摩尔比值应根据原烟气中NOx含量、要求的脱硝效率和氨逃逸量具体计算出来。

1.2.4催化剂的型式对SCR工艺的影响

催化剂是SCR工艺系统中的重要组成部分。催化剂的选择不仅仅是针对反应温度的不同来选择，并且要考虑烟气特性、SCR装置的压降、布置的合理性等因素。当前流行使用的催化剂有蜂窝式、波纹式和平板式等。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份的载体压制而成；蜂窝式催化剂是把载体和活性成份混合物整体挤压成型；波纹式催化剂是外形如起伏的波纹，形成许多小孔。当前，各种型式的脱硝催化剂活性成分大多由V2O5和MoO3、WO3构成，其性能参数的比较见表1。

表1 各种型式催化剂性能参数比较

2 德国STEULER公司烟气脱硝工艺简介

2.1 高粉尘布置的SCR工艺及其特点

图1 SCR高粉尘布置的工艺流程图

2.1.1优点

⑴由于反应温度较高，可选择的催化剂种类较多；

⑵相对于低粉尘布置和末端布置来说，省去了烟气再热系统，从而节省了投资和运行成本；

⑶早已完成工业化运用，并且已有20年的运行经验，是目前火电厂烟气脱硝广泛采用的工艺。

2.1.2缺点

⑴由于粉尘浓度较高，所以粉尘对催化剂的冲刷和磨损较大；

⑵省煤器是与锅炉本体相连的，对于大型的机组而言，SCR反应器的重量比较大，所以一般要设置独立的SCR反应器的支撑钢架，这就涉及到了锅炉的重新调整和负荷重新计算的问题；

⑶烟气中含有大量的SO2,催化剂可以使部分SO2氧化，生成难处理的SO3,并可能与烟气中的氨生成腐蚀性很强的硫酸铵（或者硫酸氢铵）盐物质，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工艺及其特点

图2 SCR低粉尘布置的工艺流程图

2.2.1优点

⑴锅炉烟气经过静电除尘器之后，粉尘浓度降低，可以延长催化剂的使用寿命；

⑵与锅炉本体独立，不影响锅炉的正常运行；

⑶氨的泄漏量比高温布置方式的泄漏量要少。

2.2.2缺点

⑴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，生成难处理的SO3,并可能与烟气中的氨生成腐蚀性很强的硫酸铵（或者硫酸氢铵）盐物质；

⑵由于烟气温度较低（约140℃～160℃），可供选择的催化剂种类较少；

⑶国内尚无低温催化剂的运用经验，并且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及其特点

图3 SCR反应器末端布置的工艺流程图

2.3.1优点

⑴锅炉烟气经过除尘、脱硫后，可以采用更大烟气流速和空速，从而使催化剂的消耗量大幅减少；

⑵氨的逃逸量相对最少，防止了二次污染，并且不会腐蚀设备、构筑物（采用防腐烟囱）；

⑶不会产生SO3，及其带来的危害。

2.3.2缺点

⑴一定要设置烟气再热系统，增加了投资和运行成本；

⑵很难找到符合反应条件的催化剂，难于付诸工程实施。

3 总结与展望

国家环保总局于2004年制订的《火电厂大气污染排放标准》(GBl3223—2004)中对火电厂NOx的排放做出了限制规定，且明确提出新建火电机组除满足现行排放标准外,须预留烟气脱除氮氧化物装置空间。相应的《排污费征收标准管理办法》从2004年7月1日起执行。每当量的氮氧化物征收排污费0.6元（而原来是不收费的）。现在执行的是经修订的这一标准的2010版本，其燃煤锅炉氮氧化物（NOx）排放指标为重点地区200mg/Nm3、非重点地区400mg/Nm3。

为适应新形势下环保工作的要求，2011年1月，新版《火电厂大气污染物排放标准》（二次征求意见稿）发布，计划2012年1月1日起实施。这次修订，又将原标准中的氮氧化物排放限值再次降低了一倍。具体要求：所有新建火电机组NOx排放量不得超过100mg/ Nm3；并且从2014年1月1日起，要求重点地区所有火电投运机组NOx排放量都要达到100mg/m3；非重点地区2003年以前投产的机组达到200mg/Nm3。这一限值严于欧盟（200mg/Nm3）和美国（135mg/Nm3）的现行排放标准。在“十二五”开局之年，大幅提高火电氮氧化物的排放标准，对环保产业未来的整体走势给出新的信号，也为火电厂上马烟气脱硝工程提供了环保动力和压力。

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，提出以下建议：

3.1 首先，应当进一步完善烟气脱硝的相关法律法规和相关技术标准，呼吁国家尽快出台统一电厂脱硝电价补贴政策，降低企业运行压力，促进烟气脱硝的全面、快速开展。

3.2 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。

3.3 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，当前氮氧化物的脱除也可以采取分步实施的方式，即首先采取低氮燃烧技术，最大限度抑制NOx的生成量，然后再酌情考虑上SNCR（或SCR）装置，以降低项目投资。

3.4 加大科研力度。特别是加大低温催化剂的开发研究和烟气在SCR反应器内的温度场、流场的分布模拟研究，切实提高单位投资的烟气脱硝率。

3.5 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，但目前因技术不成熟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。

[1] 孙克勤, 钟秦. 火电厂烟气脱硝技术及工程应用[M]. 北京: 化学工业出版社，2007

[2] 陈进生. 火电厂烟气脱硝技术——选择性催化还原法[M]. 北京: 中国电力出版社, 2008.