烟气脱硝催化剂生产与应用现状

收稿日期：2009-02-17作者简介：朱

林（1964—），男，上海人，高级工程师，从事火电厂环境保护研究。E -mail:zhulin@

NO x 中90%以上是NO ，NO 2占5%～10%，另有极少

量的N 2O 。NO 排到大气中很快被氧化成NO 2，引起呼吸道疾病，对人类健康造成危害。

火电厂产生的NO x 主要是燃料在燃烧过程中产生的。其中一部分是由燃料中的含氮化合物在燃烧过程中氧化而成，称燃料型NO x ；另一部分由空气中的氮高温氧化所致，即热力型NO x ，化学反应为：

N 2+O 2→2NO （1）NO +1/2O 2→NO 2

（2）

还有极少部分是在燃烧的早期阶段由碳氢化合物与氮通过中间产物HCN 、CN 转化为NO x ，简称瞬态型

NO x ［1］。

减少NO x 排放有燃烧过程控制和燃烧后烟气脱硝2条途径。现阶段主要通过控制燃烧过程NO x 的生成，通过各类低氮燃烧器得以实现［2-3］。这是一个既经济又可靠的方法，对大部分煤质通过燃烧过程控制可以满足目前排放标准。N 2和H 2O ，反应如式（3）、（4）所示［4］。还有一个副反

应，生成副产物N 2O ，N 2O 是温室气体，因此，式（5）的反应是不希望发生的。

4NO +4NH 3+O 2→4N 2+6H 2O （3）2NO 2+4NH 3+O 2→3N 2+6H 2O （4）4NO +4NH 3+3O 2→4N 2O +6H 2O

（5）

在900℃时，NH 3还可以被氧气氧化，如式（6）～

（8）所示。

2NH 3+3/2O 2→N 2+3H 2O （6）2NH 3+2O 2→N 2O +3H 2O （7）2NH 3+5/2O 2→2NO +3H 2O

（8）

这就意味着NH 3除了担任NO 、NO 2的还原剂外，还有相当一部分被烟气中的氧气氧化，而氧化的产物中有N 2、N 2O 和NO ，后者增加了NO 的浓度却降低了脱硝效率。

1.2非选择性催化还原工艺

非选择性催化还原工艺（SNCR ，Selective Non-

第42卷

中国电力

图2电站锅炉SCR 工艺流程

Fig.2Process flow of SCR of power station boiler

Catalytic Reduction ）利用锅炉顶部850～1050℃的高

温条件，喷入NH 3在没有催化剂作用下还原NO x ，在锅炉中的布置如图1所示［5］。不用催化剂，则不需设置催化反应器，故SNCR 工艺简单、投资省，对没有预留脱硝空间的现有锅炉改造工作量少。可是在

850～1050℃时，NH 3的氧化反应（式（6）～（8））全部

可以发生，确定了该工艺的脱硝效率不高，一般仅

50%左右，同时还要求有较高的NH 3/NO 摩尔比，增

加了NH 3的消耗与逃逸。故SNCR 工艺难以满足环保要求高的大型燃煤锅炉。

1.3选择性催化还原

选择性催化还原

（SCR ，Selective Catalytic

Reduction ）的原理是在催化剂作用下，还原剂NH 3在

相对较低的温度下将NO 和NO 2还原成N 2，而几乎不发生NH 3的氧化反应，从而提高了N 2的选择性，减少了NH 3的消耗。该工艺于20世纪70年代末首先在日本开发成功，80年代和90年代以后，欧洲和美国相继投入工业应用，现已在世界范围内成为大型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺。在NH 3/NO x 的摩尔比为1时，NO x 的脱除率可达90%，NH 3的逃逸量控制在5mg/L 以下。为避免烟气再加热消耗能量，一般将SCR 反应器置于省煤器后、空气预热器之前，即高飞灰布置。氨气在加入空气预热器前的水平管道上加入，与烟气混合。对于新建锅炉，由于预留了烟气脱氮空间，可以方便地放置SCR 反应器和设置喷氨槽，流程如图2所示。

SCR 系统由氨供应系统、氨气/空气喷射系统、

催化反应系统以及控制系统等组成，催化反应系统是

SCR 工艺的核心，设有NH 3的喷嘴和粉煤灰的吹扫

装置，烟气顺着烟道进入装载了催化剂的SCR 反应器，在催化剂的表面发生NH 3催化还原成NO x 。

2SCR 工艺采用的催化剂

2.1催化剂的化学组成

SCR 工艺的核心。

文献［6］详细列举了金属氧化物催化剂，如V 2O 5、

Fe 2O 3、CuO 、Cr 2O 3、Co 3O 4、NiO 、CeO 2、La 2O 3、Pr 6O 11、Nd 2O 3、

Gd 2O 3、Yb 2O 3等，催化活性以V 2O 5最高。V 2O 5同时也

是硫酸生产中将SO 2氧化成SO 3的催化剂，且催化活性很高，故SCR 工艺中将V 2O 5的负载量减少到

1.5%（重量百分比）以下，并加入WO 3或MoO 3作为

助催化剂，在保持催化还原NO x 活性的基础上尽可能减少对SO 2的催化氧化。助催化剂的加入能提高水热稳定性，抵抗烟气中As 等有毒物质。商业应用的催化剂是分散在TiO 2上，以V 2O 5为主要活性组分，WO 3或MoO 3为助催化剂的钒钛体系，即V 2O 5-

WO 3/TiO 2或V 2O 5-MoO 3/TiO 2。

2.2催化反应原理

催化反应原理是NH 3快速吸附在V 2O 5表面的

B 酸活性点，与NO 按照Eley-Rideal 机理反应，形成

中间产物，分解成N 2和H 2O ，在O 2的存在下，催化剂的活性点很快得到恢复，继续下一个循环，其化学吸附与反应过程如图3所示［7］。反应步骤可分解为：（1）NH 3扩散到催化剂表面；（2）NH 3在V 2O 5上发生化学吸附；（3）NO 扩散到催化剂表面；（4）NO 与吸附态的NH 3反应，生成中间产物；（5）中间产物分解成最终产物N 2和H 2O ；（6）N 2和H 2O 离开催化剂表面向外扩散。

2.3催化剂的结构形式

由于SCR 反应器布置在除尘器之前，大量飞灰

的存在给催化剂的应用增加了难度，为防止堵塞、减少压力损失、增加机械强度，通常将催化剂固定在不锈钢板表面或制成蜂窝陶瓷状，形成了不锈钢波纹板式和蜂窝陶瓷的结构形式，如图4、5所示。板式催化剂的生产过程为，将催化剂原料（载体、活性成分与助催化剂）均匀地碾压在不锈钢板上，切割并压

图1

SNCR 与SCR 在锅炉中的布置

Fig.1Arrangement diagram of SNCR and SCR in boiler