SCR脱硝技术分析

SCR烟气脱硝技术研讨及常见问题分析处理中国华电工程（集团）有限公司华电环保系统工程有限公司张鹏2014年3月14日SCR烟气脱硝技术研讨及常见问题分析处理火电厂大气污染物（特别是NOx氮氧化物）的排放对生态环境的影响越来越严重。为此，我们必须加大污染治理力度，提高污染物排放的标准，努力改善大气环境质量，推动社会经济又好又快发展。随着国内社会经济的发展、科技的进步，人民们生活水平的日益改善，社会对环境的重视达到了空前的高度。在国家能源环保政策的鼓励下，烟气脱硝装置成为继脱硫装置后电厂建设的重要组成部分。这对我国电力事业的发展包括设计、运行和维护等提出了新的要求。随着我国经济的发展,在能源消费中带来的环境污染也越来越严重。其中，大气烟尘、酸雨、温室效应和臭氧层的破坏已成为危害人民生存的四大杀手。燃煤烟气所含的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等有害物质是造成大气污染、酸雨和温室效应的主要根源。在我国二氧化硫、氮氧化物等有害物质主要是由燃煤过程产生的，我国烟气脱硝项目起步较晚，国内运行的烟气脱硝项目所采用的工艺也是引进欧、美、日等发达国家和地区烟气脱硝技术,针对目前国内外现状，特对SCR烟气脱硝技术做如下简介。一．SCR脱硝成熟技术简介1．国内外成熟技术我国烟气脱硝技术研究和项目实施起步较晚，国内现有的较大型烟气脱硝工艺均引进于欧美、日本等国家。应用较为广泛的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法、选择性非催化还原法和SNCR-SCR联合脱硝法。1.1选择性催化还原法（SelectiveCatalyticReduction，SCR）SCR法是指常压下，向含有NOX和其它适宜温度的烟气中喷入约5%的气氨，并使其混合均匀，流经装有催化剂的反应器进行NOX与NH3的选择性还原反应，生成无害的N2和H2O。我国首例SCR脱硝工程于1999年投运，目前国内约300家左右电厂已采用该工艺。SCR烟气脱硝效率较高，可达80%~90%，但该工艺设备投资大，所用催化剂昂贵且容易受多种因素影响失效，大多数中小型企业难以承受。1.2选择性非催化还原法（SelectiveNon-catalyticReduction，SNCR）SNCR法是在无催化剂存在的条件下向炉内喷射化学还原剂使之与烟气中的NOx反应，将其还原成N2和H2O，使用最广泛的还原剂为氨和尿素。1974年日本首次将该技术投入商业使用。目前在国外SNCR工艺已普遍用于电站锅炉、工业锅炉、市政垃圾焚烧炉和水泥窑脱硝。2011年，我国首台SNCR脱硝技术水泥窑在湖南湘潭正式投入运行。SNCR烟气脱硝效率为50%~80%，该工艺不需要催化剂、建设运行费用低、在现有装置上改造比较容易，适合在中小型企业中进行推广。1.3SNCR-SCR联合脱硝法SNCR-SCR联合脱硝法并不是SCR工艺与SNCR工艺的简单加和，是结合了SCR技术的高脱硝率、SNCR技术的较少投资特点而发展起来的一种新型工艺。该工艺有2个反应区，先将还原剂喷入炉膛即第1个反应区，在高温作用下，还原剂与烟气中NOX在没有催化剂的情况下发生还原反应，实现初步脱氮，然后未反应完全的还原剂进入SCR反应器即第2个反应区，在有催化剂参与的情况下进一步脱硝。2011年，国华北京热电分公司首次将SNCR-SCR工艺应用于国内燃煤电厂烟气脱硝。SNCR-SCR技术脱硝效率较高，可达到80%以上，催化剂用量较少，建设运行费用相对较低，适合我国高灰煤和经济实力相对薄弱的国情。二．脱硝装置介绍脱硝装置包括SCR主体系统、氨存储与供应系统、控制系统、电控系统等。SCR主体系统主要包含烟道系统、催化剂、吹灰系统、氨稀释及COPS系统、氨喷射系统。省煤器出口烟气经SCR入口烟道，与氨喷射格栅喷入的氨/空气混合气体均匀混合，经连接烟道进入反应器。然后通过整流装置，垂直流经催化剂。喷入的氨气在催化剂的作用下与烟气中的NOx反应生成无害的氮气和水。最后，净化后的烟气通过反应器出口烟道进入空气预热器。脱硝烟道系统采用高尘方案，双烟道双反应器布置模式。烟道系统的设计压力为-6.5～6.5kPa；能承受运行温度420℃不少于5小时的考验，而不产生任何损坏。反应器采用竖直方式布置以使烟气竖直向下流动，反应器入口设置多孔板和整流装置，使烟气均匀竖直流经催化剂。反应器入口设置导流板，以优化流畅及降低烟气阻力。反应器内部各种加强筋及支架均设计成不易积灰的型式，同时考虑热膨胀的补偿措施。在反应器上的每个催化剂层均设置催化剂安装门和检修人孔门，在整流装置的上方也设有检修人孔门。每个催化剂层配置有可拆卸的催化剂测试元件，用于定期的催化剂活性测试以确定加装或更换催化剂层的时间。在反应器底部布置取样格栅，供脱硝调试时使用。单台反应器设置30个取样测点。脱硝催化剂在运行中由于发生堵塞、覆盖、烧结、磨损和中毒等原因会造成催化剂活性的逐渐的下降，会导致催化剂的出口NOx浓度和氨逃逸上升，当出口值不能满足性能保证值时，就需要添加或更换催化剂。脱硝催化剂耐活性下降能力的强弱对于延长催化剂使用寿命、降低脱硝催化剂的运行成本具有重要意义脱硝系统主要设备：1.SCR反应器本体SCR反应器本体内装有催化剂，当混合好的烟气与氨进入反应器本体后在催化剂的催化作用下，发生氧化还原反应，达到脱硝的目的。2.氨喷射系统氨喷射系统主要指喷氨格栅，其中母管的数量、位置采用流体力学计算软件模拟，同时，将整个喷氨格栅分成若干区域，有独立的阀门对所在区域的喷氨量进行控制，以达到最佳的NH3/NOx混合比。3.SCR吹灰系统本系统采用半伸缩耙式蒸汽吹灰系统和声波吹灰系统，蒸汽吹灰器采用1.1MPa、295℃厂用蒸汽，声波吹灰器采用0.35~0.5MPa压缩空气，使采用相应锅炉的DCS控制。4.还原剂制备系统还原剂是由尿素热解制成氨，然后以一定的压力流出，进入氨/空气混合器进行稀释，最后通过喷氨格栅喷入SCR反应器本体中进行脱硝反应。5.催化剂5.1催化剂适宜的使用温度是320℃～420℃，超过适宜温度的使用是造成催化剂性能退化甚至丧失的重要原因。5.2运行时尽可能缓慢升温或降温，一旦温度变化的幅度超过12℃/min，有可能在催化剂内部产生裂纹或对催化剂活性和寿命造成影响。5.3当烟尘沉积在催化剂上时，应使用热空气进行吹扫和清洗。三．主要参数的影响1.温度对催化剂反应性能的影响目前，运用于电厂烟气脱硝中的的SCR催化剂有很多，不同的催化剂,其适宜的反应温度也差别各异。如果反应温度太低,催化剂的活性降低,脱硝效率下降，则达不到脱硝的效果。并且，如果催化剂在低温下持续运行,将导致催化剂的永久性损坏；如果反应温度太高,NH3容易被氧化,生成NOx的量增加,甚至会引起催化剂材料的相变,导致催化剂的活性退化。采用何种催化剂与SCR反应器的布置方式是密切相关的，一般可以把催化剂的种类分为三类：高温催化剂(345℃～590℃)、中温催化剂(260℃～380℃)和低温催化剂(80℃～300℃)。目前,国内外SCR系统大多采用高温催化剂,反应温度在315℃～400℃。2.空速（SV）对催化剂性能的影响烟气在SCR反应塔中的空塔速度是SCR的一个关键设计参数,它是烟气体积流量(标准状态下的湿烟气))与SCR反应塔中催化剂体积比值,反映了烟气在SCR反应塔内的停留时间的大小。烟气的空塔速度越大,其停留时间越短。一般SCR的脱硝效率将随烟气空塔速度的增大而降低。空塔速度通常是根据SCR反应塔的布置、脱硝效率、烟气温度、允许的氨逃逸量以及粉尘浓度来确定的。3．摩尔比对NO转换的影响理论上，lmoI的NO需要1moI的NH3去脱除。根据化学反应平衡知识，NH3量不足会导致NOx的脱除效率降低，但在工程实践中，NH3过量又会带来NH3对环境的二次污染，一般在设计过程中，NH3/NO的值控制在0.8～1.2的范围内比较合适，并且结合机组负荷的变化而变化。4.催化剂的选择对SCR工艺的影响SCR系统中的重要组成部分是催化剂，催化剂的选择不仅仅是针对反应温度的不同来选择，并且要考虑SCR装置的压降、布置的合理性等因素。当前流行的成熟催化剂有蜂窝式、波纹状和平板式等。平板式催化剂一般是以不锈钢金属网格为基材负载上含有活性成份的载体压制而成；蜂窝式催化剂一般是把载体和活性成份混合物整体挤压成型；波纹状催化剂是外形如起伏的波纹，从而形成小孔。当前各种催化剂活性成分大部分为WO3和V2O5。四．常见因素问题及分析处理1．影响SCR脱硝率的因素1.1在SCR系统设计中，最重要的运行参数是反应温度、反应时间、NH3/NOx摩尔比、烟气流速、O2浓度、NH3的溢出浓度、SO3浓度、H2O（蒸汽）浓度、钝化影响等。1.2反应温度是选择催化剂的重要运行参数，催化反应只能在一定的温度范围内进行，同时存在催化的最佳温度，这是每种催化剂特有的性质，因此反应温度直接影响反应的进程。在SCR工作过程中温度的影响有两方面：一是温度升高使脱NOx反应速度加快，NOx脱除率升高；二是温度升高NH3氧化反应开始发生，使NOx脱除率下降。1.3反应时间是烟气与催化剂的接触时间，随着反应时间的增加，NOx脱除率迅速增加，当接触时间增至200ms左右时，NOx脱除率达到最大值，随后下降。这主要是由于烟气与与催化剂的接触时间增大，有利于烟气在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和生成物的解吸、扩散，从而使NOx脱除率提高。但是，随着接触时间过长，NH3氧化反应开始发生，使NOx脱除率下降。1.4NOx脱除率随着NH3/NOx摩尔比的增加而增加，NH3/NOx摩尔比小于1时，其影响更加明显。若NH3投入量偏低，NOx脱除率不高；若NH3投入量偏高，NH3氧化等副反应的反应速度将增大，从而降低了NOx脱除率，同时也增加了净化后烟气中NH3的排放浓度，造成二次污染。一般控制NH3/NOx摩尔比在1.2以下。1.5另外，烟气流速直接影响NH3与NOx的混合程度，需要设计合理的流速以保证NH3与NOx充分混合使反应充分进行；同时反应需要O2的参与，随着O2浓度增加，催化剂性能提高，但O2浓度不能过高，一般控制在2%～3%；NH3的溢出浓度是影响SCR系统运行的另一个重要参数，实际生产中通常是多于理论量的NH3被喷射进入系统，反应后在烟气下游多余的NH3称为NH3的溢出，NOx脱除效率随着NH3的溢出量的增加而增加，在某一个NH3的溢出量时达到一个最大值；另外H2O（蒸汽）浓度的增加使催化剂性能下降，催化剂钝化失效也不利于SCR系统的正常运行，必须加以有效控制。2.催化剂的活性和成本催化剂的设计寿命决定着SCR系统的运行成本。催化剂失去活性主要是指高温烧结、磨损和固体颗粒沉积堵塞而引起催化剂活性破坏。SCR系统所出现的磨损和堵塞可以通过反应器的优化设计（设置自动的导流叶片装置，倒转NH3的喷射方向使之与流动方向相反）加以缓解。如果废气中有粉尘，为了保证催化剂表面的洁净，在反应器中安装吹灰器是很有必要的。如果废气中含有能使催化剂中毒的固体颗粒物，则废气需进行预处理，比如采用静电除尘、加入脱As剂等，去除催化剂毒物级固体颗粒物，避免催化剂中毒。另外，催化剂的自主研发与工业应用研究还需深入。催化剂的成本占脱硝工程总成本的30%～40%，如果能实现催化剂国产化，将使该技术的竞争力迈上更高台阶。为了延长催化剂的使用寿命，在运行中需要特别注意以下几个方面：1）保证脱硝催化剂在规定的温度运行，不要超温，防止催化剂烧结。2）启动时对燃烧条件进行监测，防止不完全燃烧时残碳或残油在催化剂上累积引起催化剂着火烧结。3）在运行中，当温度低于最低喷氨温度时必须停止喷氨。如果硫酸氢铵的沉积在催化剂表面上，需要及时将烟温升至活性温度，以保证硫酸氢铵能够分解，重新恢复催化剂活性。4）在运行中，定期进行飞灰的吹扫，防止催化剂堵塞，减少飞灰在催化剂表面的停留时间，防止催化剂活性下降。5）对脱硝催化剂进行定期吹扫还可以防止飞灰或CaO等在催化剂表面发生水泥性硬化造成催化剂有效活性表面积的下降。6）在启停时，特别需要防止液体水在催化剂表面的生成，否则飞灰中的K2O（