浅谈燃煤锅炉的选择性催化还原烟气脱硝技术应用

佟维娟 陈雅鑫

摘 要：烟气脱硝是目前世界上发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法，烟气脱硝能达到很高的NOx脱除效率，而应用较多的是选择性催化还原烟气脱硝技术（SCR）。随着《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）的实施，我国火电厂燃煤锅炉的脱硝治理迫在眉睫，有必要加强燃煤锅炉的选择性催化还原烟氣脱硝技术（SCR）研究，减少NOx的排放。

关键词：燃煤锅炉；烟气脱硝技术；选择性催化还原；

近年来，氮氧化物的排放使我国大气污染程度加剧，通常所说的氮氧化物包括一氧化二氮、一氧化氮、三氧化二氮、二氧化氮、四氧化三氮、五氧化二氮等。这些氮氧化物可以侵入呼吸道深部的细支气管和肺泡，对肺组织产生强烈的刺激和腐蚀作用。同时氮氧化物参与光化学烟雾和酸雨的形成，具有更大的危害性。大气中的氮氧化物70%以上来自于煤炭直接燃烧，而我国的能源结构又是以煤炭为主，所以燃煤锅炉所产生的氮氧化物，对我国大气环境造成严重污染。选择性催化还原烟气脱硝技术（SCR）已经广泛应用于日本、德国、北欧、美国等国的燃煤锅炉，具有技术成熟、脱硝率高、几乎无二次污染的特点。我国也在积极的研究和应用这项技术，有效地控制燃煤锅炉氮氧化物的排放。

一、烟气脱硝技术

目前烟气处理所采用的脱硝技术有很多种，包括选择性催化还原烟气脱硝技术（SCR）、选择性非催化还原烟气脱硝技术（SNCR）、SNCR/SCR联合烟气脱硝技术、液体吸收法、微生物吸收法、活性炭吸附法、电子束法等。在多种烟气脱硝方法中，只有SCR、SNCR和SNCR/SCR在大型燃煤电厂获得了较好的商业应用，其中SCR在全球范围内有数百台的成功应用业绩和几十年的运行经验，日本和德国95%的烟气脱硝装置采用SCR技术，这项技术也是我国烟气脱硝研究和应用的重点。

二、SCR反应机理及系统布置

（一）SCR技术反应机理

SCR技术的反应机理较为复杂，但主要的脱硝原理是在一定的温度和催化剂的作用下，还原剂有选择地把烟气中的NOx 还原为无毒无污染的N2和H2O，还原剂可以使碳氢化合物、氨、尿素等，工业应用的还原剂只要是氨，其次是尿素。整个反应过程共涉及十几个反应方程式，按照反应过程的重要程度可以将这些反应过程分为主要反应和副反应。以氨为还原剂的主要反应所包含的方程式：

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O（1）；

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（2）；

副反应所包含的方程式：

4NH3+3O2→2N2+6H2O （3）；

2NH3→N2+3H2（4）；

4NH3+5O2→4NO+6H2O （5）；

由于燃煤锅炉产生的烟气中几乎95%的NOx都是以NO的形式存在，因此，SCR技术的主要反应为上述方程式中的（1）。如果是采用SNCR技术，即没有催化剂存在的情况下，理想反应温度为800-900℃，但是这一温度范围很难控制，一旦反应温度超过900℃， NH3就会迅速被氧化为NO，从而降低NOx的还原速度[3]。据此分析可知SCR技术比SNCR技术更有实效性。在SCR技术中可以根据催化剂的种类调节反应温度，只要催化剂选择合理，反应温度既可以高达250℃以上，也可以低至80℃，可见，SCR技术的反应过程是可以自由选择的。

（二）SCR技术系统布置

在SCR技术中，催化剂的选择尤其重要，反应过程中催化剂需安置在一个固定的箱体中，燃煤锅炉产生的烟气经过反应器后流经催化剂表面。由于烟气是自下而上运动的，因此，为了保证烟气与催化剂能够完全接触，往往将催化剂单元垂直放置在反应器中，有时也会水平布置催化剂单元，根据反应器在燃煤锅炉烟气脱硝系统中的放置位置，可以将其系统布置方式分为三种：高烟气段布置、低烟气段布置和尾部烟气段布置[4]。反应器布置方式不同其工艺流程也不同。高烟气段布置就是将SCR反应器安置在省煤器之后，该位置的烟气温度可以达到500℃，在这个温度下大部分催化剂仍然能够保持足够的反应活性，因此脱硝效果比较显著。但是这种布置方式的建设成本较高，SCR反应器内的反应容易受燃煤锅炉负荷的影响。将SCR反应器安装在燃煤锅炉脱硝系统中的除尘器之后即为低烟气段布置，该位置的烟气含有大颗粒物质，由于反应器没有自我清洁功能，因此该位置上的反应器容易产生积灰。将SCR反应器安装在整个烟气脱硝系统的最末端就是尾部烟气段布置方式[5]。这里的粉尘量和SO2等物质含量都较少，但是反应温度较低，要想使催化剂发生作用需对烟气在此加热，这样就会增加运行成本。

三、SCR脱硝效率的主要影响因素

在SCR脱硝工艺中，影响NOx效率的主要因素是反应温度、反应时间、催化剂性能、NH3/NOx摩尔比等。

四、SCR技术工程应用实例

某电厂所使用的550MW锅炉所需煤种较为复杂，NOx的排放量变化较大，烟气脱硝难度也大，因此在该550MW的锅炉上安装了SCR系统。考虑到所安装SCR系统的要求温度为300-400℃，需将反应器放置在省煤器和空气预热器之间，确保烟气温度能够满足SCR系统所需要的反应温度。该SCR反应器的水平方向上安装有烟气导流装置和NH3喷射隔栅，垂直方向上安装有催化剂床，为了避免烟气泄露，还在催化剂床周围安装了封闭系统，防止烟气在催化剂块体之间逃逸。该SCR系统在运行过程中，催化剂是主要设备，烟气所携带的飞灰中含有Na、Ca、Si、As等成分时，会使催化剂“中毒”或受污染，从而降低催化剂的效能，甚至完全丧失活性，因此，需要及时替换原有的催化剂，该厂在安装使用SCR系统后每年约需要更换1/3的催化剂。

五、应用SCR技术的几点考虑

（1）综合使用SCR技术与其他烟气脱硝技术。虽然SCR技术的脱硝效果比较理想，但是建设成本和运行成本较高，尤其是定期更换催化剂更需要大量的人力物力，若能把SCR技术和其他烟气脱硝技术结合起来使用，可以降低成本费用。燃烧控制和SCR技术的组合应用被公认为最先进的一种联合脱硝技术，鉴于我国许多大型机组已开始使用燃烧控制技术，基本具备硬件基础，因此可以考虑推广这种联合方式。

（2）根据目前氮氧化物排放标准的不断升级，各个行业的不同炉型都在考虑脱硝，对催化剂的反应温度要求越来越高，因此有必要开发一种低温催化剂，避免对烟气进行再次加热，增加运行费用。

结语

烟气脱硝是目前许多国家普遍采用的减少NOx排放的方法，具有很高的脱除效率，我国应当立足于我国国情，加强烟气脱硝技术应用研究与实践，不断提高SCR技术在燃煤锅炉烟气脱硝中的应用水平。

参考文献：

[1]魏宇，代伟伟. 选择性催化还原（SCR）技术在电站锅炉烟气脱硝改造工程中的应用[J]. 装备机械，2011，01：31-36.

[2]谭青，冯雅晨. 我国烟气脱硝行业现状与前景及SCR脱硝催化剂的研究进展[J]. 化工进展，2011，S1：709-713.

[3]王铮，薛建明，许月阳，等. 选择性催化还原协同控制燃煤烟气中汞排放效果影响因素研究[J]. 中国电机工程学报，2013，14：32-37+12.