选择性催化还原脱硝技术

1、孔旭东1100200619 CONTENTSCONTENTS 概述概述 SCR烟气脱硝技术的介绍烟气脱硝技术的介绍 SCR系统主要设备系统主要设备 影响影响SCR烟气脱硝效率的主要因素烟气脱硝效率的主要因素 一. 概述 随着环保意识的提高，火力发电厂的污染物排 放面对越来越大的压力。化石燃料在燃烧过程中产 生的氮氧化物（NOx）是酸雨形成的主要因素之一 ，因此受到广泛的关注。我国大型火电厂绝大部分 是常规的燃煤电站，而NOx是燃煤电厂的主要污染 物之一。根据NOx的生成机理，在实际的应用中， 主要采用低NOx燃烧技术和烟气脱除的办法对其进 行控制。其中，低NOx燃烧技术已在国内新建电厂 得到广

2、泛的应用，而烟气脱硝技术在国外得到了一 定程度的应用。 烟气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx 排放的方法，具有很高的脱除效率，应用较为成 熟的有选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还 原法(SNCR)、电子束法以及炽热碳还原等技术。 其中SCR烟气脱硝率能达到90以上，具有脱除效 率高、运行可靠、便于维护等优点，因此目前的 使用最为广泛。 二. SCRSCR烟气脱硝技术的介绍烟气脱硝技术的介绍 SCR反应的原理反应的原理 SCR反应的催化剂反应的催化剂 SCR反应系统的布置方式反应系统的布置方式 催化剂装载型式的选择催化剂装载型式的选择 2.1 SCRSCR反应的原理反应的原理 SC

3、R技术是还原剂（电厂主要用NH3）在金属催 化剂的作用下，将NOx还原为对大气环境影响不大 的氮气和水。“选择性”是指氨有选择地进行还 原反应，在这里它只选择还原NOx。目前，国外学 者已经在SCR反应的反应物是NO达成了一致，而不 是NO2，并且O2参与了反应。 SCR Catalyst NOx NOx NOx NH3 NH3 NH3 N2 N2 N2 H2O H2O H2O 净烟气净烟气 原烟气原烟气 NH3 主要的化学反应式为： 4NO+4NH3+O24N2+6H2O NO+2NH3+NO22N2+3H2O 6NO2+8NH37N2+12H2O 2NO2+4NH3+O23N2+6H2O

4、该反应在 没有催化剂的 情况下，只在 980左右很 窄的温度范围 内进行；但在 催化剂的作用 下，反应温度 可以大大降低， 在300400 时即可反应。 2.2 SCRSCR反应的催化剂反应的催化剂 SCR法所用的催化剂主要有3类： Pt-Rh和和Pd等贵金属类催化剂等贵金属类催化剂 金属氧化物类催化剂金属氧化物类催化剂 沸石分子筛型沸石分子筛型 第一类是Pt-Rh和Pd等贵金属类催化剂, 通常以氧化铝等整体式陶瓷作为载体 ，最早布置的SCR系统中多采用这类催化剂，其对SCR反应有较高的活性且反 应温度较低，但是缺点是对NH3有一定的氧化作用。因此在八、九十年代以后 逐渐被金属氧化物类催化剂所

5、取代，目前仅应用于低温条件下以及天然气燃 烧后尾气中NOx的脱除。 第二类是金属氧化物类催化剂，主要包括V2O5 (WO3)、Fe2O3、CuO、CrOx、 MnOx 、MgO、MoO3、NiO等金属氧化物或其联合作用的混合物，通常以TiO2、 Al2O3、ZrO2、SiO2、活性炭（AC）等作为载体，且这些载体通常主要作用是 提供具有大的比表面积的微孔结构，在SCR反应中所具有的活性极小。当采用 这一类催化剂时，通常以氨或尿素作为还原剂。反应机理通常是氨吸附在催 化剂的表面，而NO的吸附作用很小。在这一类催化剂中，以具有锐钛矿结构 的TiO2做载体，钒作为主要活性成分的催化剂在工程中应用最为

6、广泛，其技 术发展也最为成熟。其活性温度区间在300400。在这类催化剂中通常还 加入WO3和/或MoO3，其主要作用是增加催化剂的活性和增加热稳定性，防止 锐钛矿的烧结和比表面积的丧失。另外WO3和MoO3的加入能和SO3竞争TiO2表 面的碱性位，并代替它，从而限制其硫酸盐化。在催化剂的制备过程中还加 入玻璃丝、玻璃粉、硅胶等以增加强度、减少开裂，并加聚乙烯、淀粉、石 腊等有机化合物作为成型粘结剂。 第三类是沸石分子筛型，主要是采用离子交换方法制成的金属离子交换沸石 。通常采用碳氢化合物作为还原剂。所采用的沸石类型主要包括Y-沸石、ZSM 系列、MFI、MOR等，特别是Cu-ZSM-5，国

7、外学者的研究工作较多。 这一类催 化剂的特点是具有活性的温度区间较高，最高可以达到600。同时，这类催 化剂也是目前国外学者研究的重点，但是工业应用方面还不多。 2.3 SCRSCR反应系统的布置方式反应系统的布置方式 电站锅炉和大型工业锅炉应用中通常有几种不 同的SCR布置方式，其中根据其布置位置的不同， 主要包括高尘、低尘以及尾部布置方式。在反应 器的设计型式上，也包括整体式的SCR和烟道中的 SCR。 国内SCR脱硝常规布置方式 锅炉负载信号 省 煤 器 混合 器 液氨蒸发槽 液氨储槽 液氨缓冲槽 氮氧化物 监视器 烟囱 脱硫 DeSOx FIC 空 预 器 电除 尘 锅炉 脱硝 DeN

8、Ox 稀释 风机 F D F 2.4 催化剂装载形式的选择 选择合适的催化剂装载形式对于SCR技术能够成功应 用也是十分关键的。试验结果和应用结果表明，催化剂因 烟气的特性不同而不同。对于煤粉炉，由于排出的烟气中 携带大量飞灰和SO2，因此选择的催化剂除具有足够的活 性外，还应具有隔热、抗尘、耐腐、耐磨以及低SO3转化 率等特性。目前主要催化元件是以陶瓷TiO2为基材与具有 活性的WO3和V2O5共同挤压成型，已经应用的主要有蜂窝 式和板式两种。 蜂窝式 板式 2.5 SCR系统的构成及主要装置和设备 无水氨 储罐 氨蒸发 器 烟气出 口 稀释空 气 氨喷射 栅格 SCR 反应 器 空预 器

9、锅 炉 烟 气 省煤 器 NOX 信号 锅炉负荷 信号 FI C 氨的流量 分配 SCR的基本的操作运行过程主要包含以下的几个步骤： 2）氨的蒸发并与预混空气相混合； 3）氨与空气的混合气体在反应器的适当位置喷入烟气，其 位置通常在反应器的入口附近的烟气管路内； 5）各反应物向催化剂表面的扩散并进行反应。 1）氨的准备与储存； 4）喷入的混合气体与氨气的混合； 因此，根据上面的反应过程，烟气脱硝系统由氨气制 备系统和脱硝反应系统两部分组成。脱硝反应系统由SCR 催化反应器、喷氨系统、空气供应系统所组成。此外还有 控制系统根据反应器入口NOX的浓度调整喷氨量。液氨存 储和供应系统包括液氨卸料压缩

10、机、液氨储槽、液氨蒸发 槽、氨气缓冲槽和氨气稀释槽、废水泵、废水池等。 三. 影响SCR脱硝效率的主要因素 催化剂催化剂 反应温度反应温度 烟气在反应器内的空间速度烟气在反应器内的空间速度 NH3/NOx摩尔比摩尔比 3.1 催化剂的影响 不同的催化剂有不同的活性和物理性能,这就决定了 不同的结构和表面积。一般来说,对于选定的催化剂,结构 越简单,表面积越大,越有利于催化剂的布置和反应器内反 应物的反应。催化剂活性越高,氨气与烟气中的NOx反应越 剧烈,在一定结构反应器中采用的还原剂(氨)的剂量越少, 即 n ( N H 3 ) / n ( N O x ) 比 值 就 越 小 ; 同 样 ,

11、在 相 同 的 n(NH3)/n(NOx)比值下,采用活化性高的催化剂有利于小尺 寸反应器的运行。总的来说,在n(NH3)/n(NOx)比值、反应 器尺寸一定的条件下,催化剂活性越大,降低NOx生成量的 可能性就越大。 3. 反应温度的影响 反应温度在一定程度上决定着还原剂(氨)与烟 气中NOx的反应速率,同时也影响催化剂的活性。 一般来说,反应温度越高,越有利于SCR系统的运行 ,但是,考虑综合效率问题(主要是烟气加热),并不 是采用设备的极限温度,而是在一定工况下采用最 佳的反应温度,温度范围视SCR反应器在锅炉尾部 的布置位置而定。 3. 烟气在反应器内的空间速度的影响 空间速度是SCR

12、的一个关键设计参数。它是标准温度和压 力下的湿烟气在催化剂容积内滞留时间的尺度。空间速度 的大小取决于催化剂的结构,决定反应的彻底性,也就对 SCR系统的效率有所影响。 催化剂的活性是烟气速度的函数，因此相应的烟气速度的 分布对反应器的性能有所影响。由实验得在运行许可偏差 范围内，速度偏差对脱硝效果的影响不是很明显，但当分 布偏离均匀分布时总体脱硝效果的恶化。入口烟气速度分 布的不均匀对脱硝效果影响甚微。烟气分布极不均匀的情 况是很少出现的。对于含灰量较高的项目，主要关心的是 低烟速区的灰沉积以及高烟速区可能存在的催化剂腐蚀问 题；对于燃气项目，由于基本上没有颗粒，在允许烟速偏 差范围内没有什

13、么限制。 3.4 NH3/NOx摩尔比的影响 理论上，1mol的NOx需要1mol的NH3去脱除，NH3量不足会导致 NOx的脱除效率降低，NH3过量又会与烟气中的SO3、SO2等反应，形 成铵盐，导致烟道积灰和腐蚀，另外多余的NH3又会对环境造成二 次污染。 浓度入口 残留量 摩尔比脱硝效率 根据SCR入口NOx浓度、NOx脱除效率以及NH3残留量定义NH3/NOx 平均摩尔比： 过量NH3被上式描述为NH3残留量和NOx进口浓度的比值。当设 计的NH3残留量减少或入口NOx浓度增加时，则多余的反应物将减小 ；同样，当提高脱除效率时，过量反应物将减少。结论是，在高脱 除效率、低残留反应物的情况下，NH3和NOx在摩尔量上几乎相同， 十分接近理想摩尔当量比。由此可见，取得均匀的摩尔当量比十分 关键。高残留NH3区有大量的过量的NH3通过，从而降低添加剂的利 用效果，降低脱硝装置的总体性能。 结束语 在烟气脱硝领域，国内外都进行了大量的研究工作， SCR法烟气脱硝技术是研究比较多且应用广泛的技术。工 业上SCR烟气脱硝法一般使用NH3作为还原剂，由于目前 SCR烟气脱硝法需要较高的操作温度，使其应用受到一定 的限制。低温、高效、高