选择性催化还原废气脱硝技术及应用
摘要：废气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少NOx排放的方法，应用较多的有选择性催化还原法（Selectivecatalyticreduction，简称SCR）、选择性非催化还原法（Selectivenon-catalyticreduction，以下简称SNCR）。SCR的脱硝率可达90%以上。SCR的发明权属于美国，而日本率先于20世纪70年代实现其商业化应用。目前该技术在发达国家已经得到了比较广泛的应用。日本有93%以上的废气脱硝采用SCR，运行装置超过300套。德国于20世纪80年代引进该技术，并规定发电量50MW以上的电厂都得配备SCR装置。台湾有100套以上的SCR装置在运行。大庆石化总厂化肥厂、川化集团公司、北京燕山石化公司合成橡胶厂和福建漳州电厂等也从国外引进了SCR装置。
1、技术原理
有多种还原剂（CH4、H2、CO和NH3）可以将NOx还原成N2，尤其是NH3可以按下式选择性地和NOx反应：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O（1）
8NH3+6NO2=7N2+12H2O（2）
通过使用适当的催化剂，上述反应可以在200~450℃的范围内有效进行。在NH3/NOx为1（摩尔比）的条件下，可以得到80%~90%的脱硝率。在反应过程中，NH3有选择性地和NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化。
2、工艺流程
SCR废气脱硫装置，主要由氨气供应系统、氨气控制系统、催化剂、排气系统、预热系统和反应器等组成。液氨由槽车运送到液氨储罐，液氨储槽输出的液氨在蒸发器内蒸发为氨气，并将氨气加热到常温后，送到氨气缓冲罐备用。氨气缓冲罐的氨气经调压阀减压后，通过喷氨格栅的喷嘴喷入废气中与废气混合，再经静态混合器充分混合后进入催化反应器。当废气温度低时，预热系统用来加热废气。达到反应温度且与氨气充分混合的废气流经SCR反应器的催化层时，氨气与NOx发生催化氧化还原反应，将NOx还原为无害的N2和H2O。
3、运行控制
3.1催化剂的活性
催化剂是SCR技术的核心，其形状一般为板式或蜂窝式。由于蜂窝式催化剂优良的耐久性、耐腐性、高可靠性，高反复利用率、低压降，故使用的较广泛。常用的催化剂主要成分为V2O5/TiO2。蜂窝式催化剂的断面尺寸一般为：150mm×150mm；长度400mm~1000mm。SCR装置的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命。其使用寿命又取决于催化剂活性的衰减速度。催化剂的失活分为物理失活和化学失活。典型的SCR催化剂化学失活主要是碱金属（如Na、K、Ca等）和重金属（如As、Pt、Pb等）引起的催化剂中毒。碱金属吸附在催化剂的毛细孔表面，金属氧化物（如MgO、KaO等）中和催化剂表面的SO3生成硫化物而造成催化剂中毒。砷中毒是废气中的三氧化二砷与催化剂结合引起的。催化剂物理失活主要是指高温烧结、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，倒转氨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、加入脱砷剂等，去除催化剂毒物级固体颗粒物，避免催化剂中毒。
3.2反应温度
不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度范围下限时，在催化剂上会发生副反应，NH3与SO3和H2O反应生成（NH4）2SO4或NH4HSO4，减少与NOx的反应，生成物附着在催化剂表面，堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性。另外，如果反应温度高于催化剂的适用温度，催化剂通道和微孔发生变形，导致有效通道和面积减少，从而使催化剂失活。温度越高催化剂失活越快。
根据催化剂的适用温度范围，SCR工艺可分为高温（345~590℃）、中温（260~450℃）和低温工艺（150~280℃）。
3.3氨气输入量和混合
还原剂NH3的用量一般根据期望达到的脱硝效率，通过设定NH3和NOx的摩尔比来控制。催化剂的活性不同，达到相同转化率所需要的NH3/NOx摩尔比不同。各种催化剂都有一定的NH3/NOx摩尔比范围，当摩尔比是较小时，NH3和NOx的反应不完全，NOx的转化率低；当摩尔比超过一定范围时，NOx的转化率不再增加，造成还原剂NH3的浪费，泄漏量增大，造成二次污染。
NH3与废气的混合程度也十分重要，如混合不均，即使输入量不大，NH3和NOx也不能充分反应，不仅不能到达有效脱硝的目的，还会增加NOx的泄漏量。当速度分布均匀，流动方向调整得当时，NOx转化率、液氨泄漏量及催化剂的寿命才能得到保证。采用合理的喷嘴格栅，并为NH3和废气提供足够长的混合通道，是使NH3和废气均匀混合的有效措施。
3.4NOx的在线监测
由于喷氨量及NOx排放浓度均根据NOx在线监测仪表的指示值来控制，因此NOx在线监测仪表的准确性至关重要，直接关系到催化脱硝装置的运行效益、NOx的排放浓度、液氨泄漏量等指标的高低。为此，NOx在线监测仪表需要设置专业人员进行维护、保养、校验与检修。
4、工业应用
SCR废气脱硝技术在工业锅炉、燃气/燃油锅炉、柴油机、垃圾焚烧炉、工业窑炉、化工厂等烟气脱销处理中都得到成功应用。
某电厂燃煤烟气SCR法处理装置的工艺设计参数见表1。该装置1999年投运至今，运行状况良好，各项指标完全达到设计性能要求。
表1 SCR法处理燃煤烟气装置工艺设计参数
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某化工厂用SCR法处理硝酸尾气装置的工艺设计参数见表2。该装置1993年投入运行，脱硝效率达到93%以上，净化尾气达到排放标准，环境与社会效益显著。
表2 SCR法处理硝酸尾气装置工艺设计数
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5、结语
SCR法是一项可靠有效的废气脱硝技术。目前，该法在我国大陆的应用还较少，除了SCR装置投资较高外，专业研究机构少也是一个重要原因。脱硝催化剂的研究开发是SCR法应用的关键，希望从事催化剂研究的单位能够尽快开发出性能优良、符合我国国情的脱硝催化剂。
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