燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究

燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究

来源：电力环境保护更新时间：09-8-20 18:01 作者: 赵毅,朱洪涛,安晓玲,苏蓬

0引言

燃煤电厂在生产过程中产生大量的粉尘、SOx 、NOx和有害金属元素等[ 1 ] 。目前,我国对于燃烧产生的NOx控制方法主要有燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后控制三类[ 2 - 3 ] 。燃烧前控制是指选用低氮燃料,但成本很高,工程应用较少。燃烧中控制是指改进燃烧方式和生产工艺,采用低NOx 燃烧技术, 降低炉内NOx 生成量,该方法费用较低,

但由于炉内低氮燃烧技术的局限性,使得NOx的控制效果不能令人满意。燃烧后控制是指在烟道尾部加装脱硝装置,将烟气中的NOx 转变为无害的N2 或有用的肥料。由于烟气脱硝的NOx 脱除率高,运行简单, 因此,探求技术上先进,经济上合理的烟气脱硝技术

将成为我国控制NOx排放工作的重点。

烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法( SCR)、非选择性催化还原法(NSCR)、选择性非催化还原法( SNCR)、臭氧氧化吸收法、活性炭联合脱硫、脱硝法等。由于SCR 法脱硝效率高达90%以上,运行可靠,是目前国内外应用最多且最为成熟的烟气脱硝技术之一。

SCR烟气脱硝技术的发明权属于美国,而日本率先于20世纪70年代将其实现了商业化[ 5 ] 。目前,这一技术在欧洲、日本、美国等发达国家和地区已得到了广泛的应用。据资料统计,到2004年为止,全世界应用SCR烟气处理技术的电站燃煤锅炉容量超过

178 . 1G W。我国SCR技术的研究始于20世纪90年代。据统计,目前我国在建的脱硝项目超过14个,脱硝机组容量在11 400MW以上, 其中采用SCR技术的项目约占在建脱硝项目总容量的70%。可见,我国正处于SCR烟气脱硝的示范阶段,因此,对SCR工艺进行深入研究,对我国脱硝技术的发展有着重要意义。

1SCR反应原理

SCR是指将氨、烃类等还原剂喷入烟气中,利用催化剂将烟气中的NOx转化为N2和H2O。在氨选择催化反应过程中,NH3可以选择性地与NOx发生反应,而不是被O2 氧化,因此,反应被称为“选择性” 。主要反应式如下:

锅炉烟气中的大部分NOx 均以NO的形式存在, NO2 约占5% ,影响并不显著。所以,以反应(1)、(2)为主。反应原理如图1所示。

由于氨具有挥发性,很有可能逃逸。此外,在反应条件改变时,还可能发生氨的氧化反应:

由于反应温度的改变, SCR催化剂同时也会将烟气中的SO2 氧化为S O3 , SO3 又能与逃逸的氨继续发生如下副反应:

2布置方式和工艺流程

2 . 1布置方式

SCR反应器可以安装在锅炉之后的不同位置, 即高温高尘、高温低尘及低温低尘布置三种形式。高温高尘布置方式是将SCR反应器布置在省煤器和空预器之间,其优点是催化反应器处于300～400℃温度区间,有利于反应的进行。但是, 由于催化剂处于高尘烟气中,条件恶劣,磨刷严重, 寿命将会受到影响。高温低尘布置方式是将SCR 反应器布置在空预器和高温电除尘器之间,该布置方式可防止烟气中飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损与堵塞,其缺点是在300～400℃的高温下, 电除尘器运行条件差。低温低尘布置(或称尾部布置)方式是将SCR反应器布置在除尘器和烟气脱硫系统之后,催化剂不受飞灰和SO2影响,但由于烟气温度较低,仅为50～60℃,一般需要用GGH或燃烧器将烟气升温,能耗和运行费用增加。

由于省煤器与空预器之间的烟温刚好适合SCR 脱硝还原反应,氨被喷射于省煤器与SCR反应器间烟道内的适当位置,使其与烟气充分混合后在反应器内与NOx反应,脱硝效率可达80%以上,因此,高温高尘布置是目前应用最广泛的布置方式。

2 . 2工艺流程

SCR系统一般是由氨储存系统、氨/空气喷雾系统、催化反应器系统、省煤器旁路、SCR旁路、检测控制系统等组成。首先,液氨由液氨罐车运送到液氨储罐,输出的液氨经蒸发器蒸发成氨气,再将其加热到常温后送入氨缓冲槽中备用。运行时,将缓冲槽的氨气减压后送入氨/空气混合器中,与空气混合后进入烟道内的喷氨格栅,喷入烟道后再通过静态混合器与烟气充分混合,继而进入到SCR反应器中。工艺流程如图2所示。

3SCR反应的影响因素

3.1催化剂

3.1.1催化剂的种类

不同的SCR催化剂具有不同的活性和物理性能。按照活性组分不同, SCR催化剂可分为金属氧化物、碳基催化剂、分子筛催化剂和贵金属催化剂。目前,应用较多的是金属氧化物催化剂。经研究表明, Ti O2具有较高的活性和抗SO2氧化性; V2O5表面呈酸性,容易与碱性的氨发生反应,并能在富氧环境下工作,工作温度低,抗中毒能力强,可负载于Si O2、Al 2O3、Ti O2等氧化物中;WO3 有助于抑制SO2 向SO3的转化。因此,电厂通常采用的SCR催化剂是以多孔Ti O2 作载体,起催化作用的活性成分V2O5和WO3分布在其表面。

3.1.2催化剂的反应温度

不同种类的SCR催化剂具有不同的适宜温度范围,当反应温度超出该温度范围时,将发生副反应。副反应不但对脱硝效率有所影响,而且会导致催化剂活性降低。国内外的大量研究表明,对于电厂普遍采用的钒催化剂,当SCR反应器温度超过399℃时,氨的氧化对脱硝过程才会产生显著影响。此外,当温度在320℃以下时, SO3 容易与逃逸的氨反应生成铵盐,不但减少了与NOx 反应的氨, 而且铵盐附着在催化剂表面,将会使催化剂活性降低。另外,有研究表明, SCR脱硝效率在开始阶段随着温度的增加而增加,当温度达到一定值时,效率将会随温度的增加而下降。因此, SCR系统运行温度应该维持在320～400℃之间。

3.1.3催化剂的形式

SCR反应器中的催化剂形式主要有蜂窝式、板式以及波纹板式。蜂窝式催化剂具有模块化、相对质量比较轻、长度易于控制、比表面积大、易于利用等优点。板式催化剂的优点是对烟气的高尘环境适应力强,但比表面积小、相对压降大。波纹板式催化剂的优点是比表面积较大,压降较小。由于蜂窝式催化剂耐久性、可靠性均较好,是目前应用较多的催化剂形式。

3.1.4催化剂的寿命

在SCR系统运行过程中,催化剂会因为各种物理、化学作用,如高温烧结、冲蚀、固体颗粒沉积堵塞、碱金属或重金属中毒等,导致催化剂性能下降甚至失效。随着催化剂活性的降低,反应速率减小,脱除NOx的效率也会降低。当氨逃逸量达到最大值或允许水平时就必须更换催化剂。因此,需要采取合理的预防措施来延长催化剂的使用寿命。

3.2还原剂

3 . 2 . 1氨气输入量

研究表明,随着NH3 / NOx 摩尔比的增加, NOx的脱除率也增加。NH3量不足会导致NOx脱除率降低;若NH3 量过多, NH3 氧化等副反应的反应速率加大,也会导致NOx脱除率降低,同时NH3 的排放量增加,形成二次污染。一般控制NH3 / NOx 摩尔比在0 . 8～1 . 2之间。

3.2.2氨与烟气的混合程度

氨与烟气在进入SCR反应器前进行混合,如果混合得不充分, NOx 与氨不能充分反应, NOx 脱除率会有所降低,并且会增加氨的逃逸量。因此,氨必须被雾化并与烟气均匀混合,以确保与NOx充分接触反应。采用合理的喷嘴格栅,并为氨和烟气提供足够长的混