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选择性催化还原烟气脱硝技术(SCR)的实践与探讨
发布时间:2017-07-19   点击次数:1307次
  1引言
  目前,减少NOx排放的措施主要分为两大类:燃烧控制和燃烧后脱硝。燃烧控制主要采用低NOx燃烧器、燃料再燃烧等手段来减少NOx的生成;燃烧后脱硝主要包括选择性催化脱硝(SCR)、非选择性催化脱硝(SNCR)等。SCR由于有较高的脱硝效率(zui高可达90%以上),自20世纪80年代以来开始逐渐应用于燃煤锅炉,特别是在那些对NOx排放有严格要求的国家,如日本、德国、北欧等。 
  2 SCR化学机理和工艺布置
  2.1 SCR化学反应机理
  SCR的化学反应机理比较复杂,但主要的反应是NH3在一定的温度和催化剂作用下,有选择地把烟气中的NOx还原为N2,其过程涉及到数十个反应方程,但主要的反应过程可用以下方程来表示:
    主反应方程式:
    

    

    副反应方程式:
    

    2.2 SCR工艺布置
    催化剂反应器在锅炉烟道中的布置有三种可能方案:
    ①锅炉省煤器后,空气预热器前温度约为350℃左右的位置

  这种布置的优点是进入反应器的烟气温度达到300~500℃,多数催化剂在这个温度范围内有足够的活性,烟气不需要再热即可获得较好的脱硝效果。但催化剂处于高尘烟气中,催化剂的寿命会受到一些影响:飞灰中的K、Na、Ca、Si、As等微量元素会使催化剂污染造成中毒;飞灰磨损反应器并使蜂窝状催化剂堵塞;烟气温度过高会使催化剂烧结或失效。所产生的NH3逃逸会影响后面的设备。在现有机组上加装SCR,受可利用场地的限制,采用该布置会有一定困难。
   ②布置在静电除尘器和空气预热器之间

  该法由于静电除尘器无法在300~400℃温度下正常工作,因此很少采用。
   ③布置在FGD之后

  当锅炉尾部烟道装有湿法脱硫装置(FGD)时,可将催化剂反应器装于FGD之后,使催化剂工作在无尘、无SO2的烟气中,催化剂活性高,反应器布置紧凑,但由于烟气温度低(50~60℃),难以达到催化剂的工作温度,因此,须在烟道内加装燃油或燃气的燃烧器,或蒸汽加热器来加热烟气,从而增加厂能源消耗和运行费用。
  3主要设备
  选择性催化还原脱硝系统中主要设备包括:SCR反应器、催化剂、脱硝剂的贮存、制备、运输和供应等。
  3.1 SCR反应器
  SCR反应器是由钢板构成,里面填充有催化剂,截面成矩形,被固定在中心并向外膨胀,从而获得zui小的水平位移。烟气水平进入反应器的顶部并且垂直地通过反应器,均流器安装在烟道上,催化剂层由板式结构的构架支撑。为防止催化剂层积灰,在每层催化剂上装有吹灰器。
  3.2 催化剂
  催化剂的寿命决定着SCR系统的运行成本。催化剂置换费用约占系统总价的50%。目前催化剂的寿命一般1~2a。为避免催化剂中毒,对低硫煤和中硫煤,目前的催化剂的反应温度在315~400℃为宜,对高硫煤在342~400℃为宜,催化剂中毒将会降低它的性能。
  SCR催化剂由陶瓷支架和活性成分(氧化钒、氧化钛,有时候还有钨等金属氧化物)组成。现在使用的催化剂形状主要有两种:蜂窝型和板型。蜂窝型常采用预制成型的陶瓷作为基材,活性成分填充在蜂窝孔中或涂刷在基质上。板型则在预制支撑材料外涂刷催化剂活性成分。从性能角度看,这两种催化剂各有特点,具体见表1。
   

  3.3脱峭剂的贮存、制备、运输和供应
  在SCR系统中,是靠氨和NOx反应来达到脱硝的目的。制氨一般有三种方法:尿素法、纯氨法、氨水法。
  氨系统的三种方法中,使用尿素制氨的方法zui安全,但是,其投资、运行总费用zui高;纯氨的运行、投资费用zui低,但是纯氨的存储需要较高的压力,安全性要求较高。氨水介于两者之间。纯氨法应用广泛,贮运量小,有利于布置,在日本和中国台湾应用广泛,在欧洲根据不同地区的情况三种方法均有应用。由于国内电厂生产管理水平较高,预计纯氨系统将成为国内脱硝工程的。
  4主要设计技术指标
  选择性催化还原脱硝系统的主要性能指标如表2所示。

  5影响SCR脱硝技术的几个关键因素
  5.1催化剂
  催化剂是SCR系统中的主要设备,其成分组成、结构、寿命及相关参数直接影响SCR系统的脱硝效率及运行状况。在相同条件下,反应器中催化剂体积越大,NO、的脱除率越高同时氨的逸出量也越少,然而SCR工艺的费用也会显著增加。催化剂的体积也取决于催化剂的可靠寿命,因为催化剂的寿命受很多不利因素的影响,如中毒和固体物的沉积等。催化剂的初投资成本约占项目投资的50%,催化剂的寿命决定着SCR系统的运行成本,因此催化剂的性能在SCR脱硝技术中是很关键的因素。一般要求催化剂满足以下几个有关条件:
   (1)在较低的温度下和较宽的温度范围内,具有较高的活性;
   (2)具有较高的选择性;
   (3)具有较高的抗化学性能(SO2、HCI、Na2O、K2O、As);
   (4)在较大的温度波动下,有较好的热稳定性;
   (5)机械稳定性好,耐冲刷磨损;
   (6)压力损失低,使用寿命长。
  5.2反应温度
  不同的催化剂,其适宜的反应温度不同。反应温度不仅决定反应物的反应速度,而且决定催化剂的反应活性。烟气温度低于催化剂的反应温度时,氨分子与SO3和H2O反应生成(NH4)2SO4或NH4HSO4,减少了与NOx的反应,而且生成物附着在催化剂表面,易引起污染积灰进而堵塞催化剂的通道和微孔,降低催化剂的活性和脱硝效率。烟气温度高于其反应温度时,催化剂通道与微孔发生变形,导致有效通道和面积减少,加速催化剂的老化,另外,温度过高还会使NH3直接转化为NOx。目前的SCR系统大多设定在320~420℃之间。
  5.3烟气在反应器内的空间速度
  空间速度是SCR的一个关键设计参数,它是烟气(标准温度和压力下的湿烟气)在催化剂容积内的停留时间尺度。
  空间速度大,烟气在反应器内的停留时间短,将导致NOx与NH3的反应不充分,NOx的转化率低,氨的逃逸量大,同时烟气对催化剂骨架的冲刷也大。但若烟气流速过小,所需的SCR反应器的空间增大,催化剂和设备不能得到充分利用,不经济。空值速度在某种程度上决定反应是否完全,同时也决定着反应器的沿程阻力。
  5.4适当的氛气输入量及与烟气的均匀混合
  NH3输入量必须既保证SCR系统NOx的脱除效率,又保证较低的氨逸出率。只有气流在反应器中速度分布均匀,流动方向调整得当,NOx转化率、氨逃逸率和催化剂的寿命才能得以保证。采用合理的喷嘴格栅,并为氨和烟气提供足够长的混合烟道,是使氨和烟气均匀混合的有效措施,可以避免由于氨和烟气的混合不均所引起的一系列问题。
  6结语
  随着我国燃煤电厂烟尘,SO2等大气污染物逐步得到控制与治理,对NOx污染的控制与排放标准将会日趋严格。从目前国内已投入使用的SCR装置运行情况来看,各项性能指标都达到甚至超过了设计要求,表明这是一种技术成熟、运行可靠的脱硝工艺。为了使这一技术在我国尽快得到应用,可以从以下两方面开展研究工作:
   (1)SCR与其他脱硝技术联合应用的研究
  无论是在设备投资还是在运行成本方面,SCR脱硝工艺都显得十分昂贵,因此,降低脱硝费用就变得非常重要。例如:SCR和燃烧控制的组合是世界上烟气脱硝技术的国家应用zui多的联合脱硝措施。鉴于目前我国很多大型机组都已应用了燃烧控制NOx排放技术,具备了应用这种组合技术的初步基础,对这一组合进行的研究将是一个重要的方向。
   (2)低温、低成本催化剂的研究开发
  高温催化剂往往要求对烟气加热,从而造成运行费用的提高。开发低温催化剂可以降低SCR系统的运行成本,是符合我国国情、有利于SCR技术在我国推广的研究课题。

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