選擇性催化還原脫硝技術(shù)

1、孔旭東1100200619CONTENTSCONTENTS 概述概述 SCR煙氣脫硝技術(shù)的介紹煙氣脫硝技術(shù)的介紹 SCR系統(tǒng)主要設(shè)備系統(tǒng)主要設(shè)備 影響影響SCR煙氣脫硝效率的主要因素?zé)煔饷撓跣实闹饕蛩匾? 概述 隨著環(huán)保意識的提高，火力發(fā)電廠的污染物排放面對越來越大的壓力?；剂显谌紵^程中產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）是酸雨形成的主要因素之一，因此受到廣泛的關(guān)注。我國大型火電廠絕大部分是常規(guī)的燃煤電站，而NOx是燃煤電廠的主要污染物之一。根據(jù)NOx的生成機理，在實際的應(yīng)用中，主要采用低NOx燃燒技術(shù)和煙氣脫除的辦法對其進行控制。其中，低NOx燃燒技術(shù)已在國內(nèi)新建電廠得到廣泛的應(yīng)用，而煙氣脫硝

2、技術(shù)在國外得到了一定程度的應(yīng)用。煙氣脫硝是目前發(fā)達國家普遍采用的減少NOx排放的方法，具有很高的脫除效率，應(yīng)用較為成熟的有選擇性催化還原法(SCR)、選擇性非催化還原法(SNCR)、電子束法以及熾熱碳還原等技術(shù)。其中SCR煙氣脫硝率能達到90以上，具有脫除效率高、運行可靠、便于維護等優(yōu)點，因此目前的使用最為廣泛。二. SCRSCR煙氣脫硝技術(shù)的介紹煙氣脫硝技術(shù)的介紹 SCR反應(yīng)的原理反應(yīng)的原理 SCR反應(yīng)的催化劑反應(yīng)的催化劑 SCR反應(yīng)系統(tǒng)的布置方式反應(yīng)系統(tǒng)的布置方式 催化劑裝載型式的選擇催化劑裝載型式的選擇2.1 SCRSCR反應(yīng)的原理反應(yīng)的原理SCR技術(shù)是還原劑（電廠主要用NH3）在金屬催

3、化劑的作用下，將NOx還原為對大氣環(huán)境影響不大的氮氣和水。“選擇性”是指氨有選擇地進行還原反應(yīng)，在這里它只選擇還原NOx。目前，國外學(xué)者已經(jīng)在SCR反應(yīng)的反應(yīng)物是NO達成了一致，而不是NO2，并且O2參與了反應(yīng)。SCRCatalystNOxNOxNOxNH3NH3NH3N2N2N2H2OH2OH2O凈煙氣凈煙氣原煙氣原煙氣NH3主要的化學(xué)反應(yīng)式為：4NO+4NH3+O24N2+6H2ONO+2NH3+NO22N2+3H2O6NO2+8NH37N2+12H2O2NO2+4NH3+O23N2+6H2O 該反應(yīng)在沒有催化劑的情況下，只在980左右很窄的溫度范圍內(nèi)進行；但在催化劑的作用下，反應(yīng)溫度可以

4、大大降低，在300400時即可反應(yīng)。2.2 SCRSCR反應(yīng)的催化劑反應(yīng)的催化劑 SCR法所用的催化劑主要有3類： Pt-Rh和和Pd等貴金屬類催化劑等貴金屬類催化劑 金屬氧化物類催化劑金屬氧化物類催化劑 沸石分子篩型沸石分子篩型第一類是Pt-Rh和Pd等貴金屬類催化劑, 通常以氧化鋁等整體式陶瓷作為載體，最早布置的SCR系統(tǒng)中多采用這類催化劑，其對SCR反應(yīng)有較高的活性且反應(yīng)溫度較低，但是缺點是對NH3有一定的氧化作用。因此在八、九十年代以后逐漸被金屬氧化物類催化劑所取代，目前僅應(yīng)用于低溫條件下以及天然氣燃燒后尾氣中NOx的脫除。第二類是金屬氧化物類催化劑，主要包括V2O5 (WO3)、Fe

5、2O3、CuO、CrOx、MnOx 、MgO、MoO3、NiO等金屬氧化物或其聯(lián)合作用的混合物，通常以TiO2、Al2O3、ZrO2、SiO2、活性炭（AC）等作為載體，且這些載體通常主要作用是提供具有大的比表面積的微孔結(jié)構(gòu)，在SCR反應(yīng)中所具有的活性極小。當(dāng)采用這一類催化劑時，通常以氨或尿素作為還原劑。反應(yīng)機理通常是氨吸附在催化劑的表面，而NO的吸附作用很小。在這一類催化劑中，以具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的TiO2做載體，釩作為主要活性成分的催化劑在工程中應(yīng)用最為廣泛，其技術(shù)發(fā)展也最為成熟。其活性溫度區(qū)間在300400。在這類催化劑中通常還加入WO3和/或MoO3，其主要作用是增加催化劑的活性和增加熱穩(wěn)

6、定性，防止銳鈦礦的燒結(jié)和比表面積的喪失。另外WO3和MoO3的加入能和SO3競爭TiO2表面的堿性位，并代替它，從而限制其硫酸鹽化。在催化劑的制備過程中還加入玻璃絲、玻璃粉、硅膠等以增加強度、減少開裂，并加聚乙烯、淀粉、石臘等有機化合物作為成型粘結(jié)劑。第三類是沸石分子篩型，主要是采用離子交換方法制成的金屬離子交換沸石。通常采用碳氫化合物作為還原劑。所采用的沸石類型主要包括Y-沸石、ZSM系列、MFI、MOR等，特別是Cu-ZSM-5，國外學(xué)者的研究工作較多。 這一類催化劑的特點是具有活性的溫度區(qū)間較高，最高可以達到600。同時，這類催化劑也是目前國外學(xué)者研究的重點，但是工業(yè)應(yīng)用方面還不多。2.

7、3 SCRSCR反應(yīng)系統(tǒng)的布置方式反應(yīng)系統(tǒng)的布置方式電站鍋爐和大型工業(yè)鍋爐應(yīng)用中通常有幾種不同的SCR布置方式，其中根據(jù)其布置位置的不同，主要包括高塵、低塵以及尾部布置方式。在反應(yīng)器的設(shè)計型式上，也包括整體式的SCR和煙道中的SCR。國內(nèi)SCR脫硝常規(guī)布置方式鍋爐負載信號省煤器混合器液氨蒸發(fā)槽液氨儲槽液氨緩沖槽氮氧化物監(jiān)視器煙囪脫硫DeSOxFIC空預(yù)器電除塵鍋爐脫硝DeNOx稀釋風(fēng)機FDF2.4 催化劑裝載形式的選擇選擇合適的催化劑裝載形式對于SCR技術(shù)能夠成功應(yīng)用也是十分關(guān)鍵的。試驗結(jié)果和應(yīng)用結(jié)果表明，催化劑因煙氣的特性不同而不同。對于煤粉爐，由于排出的煙氣中攜帶大量飛灰和SO2，因此選擇

8、的催化劑除具有足夠的活性外，還應(yīng)具有隔熱、抗塵、耐腐、耐磨以及低SO3轉(zhuǎn)化率等特性。目前主要催化元件是以陶瓷TiO2為基材與具有活性的WO3和V2O5共同擠壓成型，已經(jīng)應(yīng)用的主要有蜂窩式和板式兩種。蜂窩式板式2.5 SCR系統(tǒng)的構(gòu)成及主要裝置和設(shè)備無水氨儲罐氨蒸發(fā)器煙氣出口稀釋空氣氨噴射柵格SCR反應(yīng)器空預(yù)器鍋爐煙氣省煤器NOX信號鍋爐負荷信號FIC氨的流量分配SCR的基本的操作運行過程主要包含以下的幾個步驟：2）氨的蒸發(fā)并與預(yù)混空氣相混合；3）氨與空氣的混合氣體在反應(yīng)器的適當(dāng)位置噴入煙氣，其位置通常在反應(yīng)器的入口附近的煙氣管路內(nèi)；5）各反應(yīng)物向催化劑表面的擴散并進行反應(yīng)。1）氨的準(zhǔn)備與儲存；

9、4）噴入的混合氣體與氨氣的混合； 因此，根據(jù)上面的反應(yīng)過程，煙氣脫硝系統(tǒng)由氨氣制備系統(tǒng)和脫硝反應(yīng)系統(tǒng)兩部分組成。脫硝反應(yīng)系統(tǒng)由SCR催化反應(yīng)器、噴氨系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)所組成。此外還有控制系統(tǒng)根據(jù)反應(yīng)器入口NOX的濃度調(diào)整噴氨量。液氨存儲和供應(yīng)系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機、液氨儲槽、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽和氨氣稀釋槽、廢水泵、廢水池等。三. 影響SCR脫硝效率的主要因素 催化劑催化劑 反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度 煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的空間速度煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的空間速度 NH3/NOx摩爾比摩爾比3.1 催化劑的影響不同的催化劑有不同的活性和物理性能,這就決定了不同的結(jié)構(gòu)和表面積。一般來說,對于選定的催化劑,結(jié)構(gòu)越簡單,

10、表面積越大,越有利于催化劑的布置和反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的反應(yīng)。催化劑活性越高,氨氣與煙氣中的NOx反應(yīng)越劇烈,在一定結(jié)構(gòu)反應(yīng)器中采用的還原劑(氨)的劑量越少,即 n ( N H 3 ) / n ( N O x ) 比 值 就 越 小 ; 同 樣 , 在 相 同 的n(NH3)/n(NOx)比值下,采用活化性高的催化劑有利于小尺寸反應(yīng)器的運行?？偟膩碚f,在n(NH3)/n(NOx)比值、反應(yīng)器尺寸一定的條件下,催化劑活性越大,降低NOx生成量的可能性就越大。3. 反應(yīng)溫度的影響反應(yīng)溫度在一定程度上決定著還原劑(氨)與煙氣中NOx的反應(yīng)速率,同時也影響催化劑的活性。一般來說,反應(yīng)溫度越高,越有利于SCR

11、系統(tǒng)的運行,但是,考慮綜合效率問題(主要是煙氣加熱),并不是采用設(shè)備的極限溫度,而是在一定工況下采用最佳的反應(yīng)溫度,溫度范圍視SCR反應(yīng)器在鍋爐尾部的布置位置而定。3. 煙氣在反應(yīng)器內(nèi)的空間速度的影響 空間速度是SCR的一個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。它是標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的濕煙氣在催化劑容積內(nèi)滯留時間的尺度?？臻g速度的大小取決于催化劑的結(jié)構(gòu),決定反應(yīng)的徹底性,也就對SCR系統(tǒng)的效率有所影響。 催化劑的活性是煙氣速度的函數(shù)，因此相應(yīng)的煙氣速度的分布對反應(yīng)器的性能有所影響。由實驗得在運行許可偏差范圍內(nèi)，速度偏差對脫硝效果的影響不是很明顯，但當(dāng)分布偏離均勻分布時總體脫硝效果的惡化。入口煙氣速度分布的不均勻?qū)γ撓跣?/p>

12、果影響甚微。煙氣分布極不均勻的情況是很少出現(xiàn)的。對于含灰量較高的項目，主要關(guān)心的是低煙速區(qū)的灰沉積以及高煙速區(qū)可能存在的催化劑腐蝕問題；對于燃氣項目，由于基本上沒有顆粒，在允許煙速偏差范圍內(nèi)沒有什么限制。3.4 NH3/NOx摩爾比的影響 理論上，1mol的NOx需要1mol的NH3去脫除，NH3量不足會導(dǎo)致NOx的脫除效率降低，NH3過量又會與煙氣中的SO3、SO2等反應(yīng)，形成銨鹽，導(dǎo)致煙道積灰和腐蝕，另外多余的NH3又會對環(huán)境造成二次污染。濃度入口殘留量摩爾比脫硝效率根據(jù)SCR入口NOx濃度、NOx脫除效率以及NH3殘留量定義NH3/NOx平均摩爾比：過量NH3被上式描述為NH3殘留量和N

13、Ox進口濃度的比值。當(dāng)設(shè)計的NH3殘留量減少或入口NOx濃度增加時，則多余的反應(yīng)物將減??；同樣，當(dāng)提高脫除效率時，過量反應(yīng)物將減少。結(jié)論是，在高脫除效率、低殘留反應(yīng)物的情況下，NH3和NOx在摩爾量上幾乎相同，十分接近理想摩爾當(dāng)量比。由此可見，取得均勻的摩爾當(dāng)量比十分關(guān)鍵。高殘留NH3區(qū)有大量的過量的NH3通過，從而降低添加劑的利用效果，降低脫硝裝置的總體性能。結(jié)束語在煙氣脫硝領(lǐng)域，國內(nèi)外都進行了大量的研究工作，SCR法煙氣脫硝技術(shù)是研究比較多且應(yīng)用廣泛的技術(shù)。工業(yè)上SCR煙氣脫硝法一般使用NH3作為還原劑，由于目前SCR煙氣脫硝法需要較高的操作溫度，使其應(yīng)用受到一定的限制。低溫、高效、高空速