选择性催化还原性
在众多的脱硝技术中, SCR 是脱硝效率最高,最为成熟的脱硝技术。1975年在日本Shimoneski电厂建立了第一个SCR系统的示范工程,其后SCR技术在日本得到广泛应用。在欧洲已有120多台大型装置的成功应用经验,其NOx 的脱除率可达到80% ～90%。日本大约有170套装置,接近100 GW 容量的电厂安装了这种设备。美国政府也将SCR技术作为电厂控制NOx 主要的技术。SCR已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。
1 原理及流程
SCR技术是还原剂(NH3、尿素)在催化剂作用下,选择性地与NOx 反应生成N2 和H2O,而不是被O2所氧化,故称为“选择性”。主要的反应式见式(1)和式(3) :
4NH3 + 2NO2 +O2 →6N2 + 6H2O (3)
SCR系统包括催化剂反应室、氨储运系统、氨喷射系统及相关的测试控制系统。SCR 工艺的核心装置是脱硝反应器,水平和垂直气流的2种布置方式如图1所示。在燃煤锅炉中,由于烟气中的含尘量很高,因而一般采用垂直气流方式。
按照催化剂反应器安装在烟气除尘器之前或之后,则可分为“高飞灰”或“低飞灰”脱硝, SCR布置方式如图2所示。采用高尘布置时, SCR反应器布置在省煤器和空气预热器之间。优点是烟气温度高,满足了催化剂反应要求。缺点是烟气中飞灰含量高,对催化剂防磨损、堵塞及钝化性能要求更高。对于低尘布置, SCR布置在烟气脱硫系统和烟囱之间。烟气中的飞灰含量大幅降低,但为了满足温度要求,需要安装烟气加热系统,造成系统复杂,运行费用增加,故一般选择高尘布置方式。
2 主要影响因素
在SCR 系统设计中,最重要的运行参数是烟气温度、烟气流速、氧气浓度、SO3 浓度、水蒸汽浓度、钝化影响和氨逃逸等。烟气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,同时还存在催化的最佳温度(这是每种催化剂特有的性质) ,因此烟气温度会直接影响反应的进程;而烟气的流速直接影响NH3 与NOx 的混合程度,需要设计合理的流速以保证NH3 与NOx 充分混合而使反应充分进行,同时反应需要氧气的参与,但氧浓度不能过高,一般控制在2% ～3%。氨逃逸是影响SCR 系统运行的另一个重要参数,实际生产中通常是被喷射进系统的氨多于理论量,反应后在烟气下游多余的氨称为氨逃逸。NOx 脱除效率随着氨逃逸量的增加而增加。另外,水蒸气浓度的增加会使催化剂的性能下降,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。
3 催化剂的选择
SCR 系统中的重要组成部分是催化剂。当前流行且成熟的催化剂有蜂窝式、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分混合物整体挤压成型;波纹状催化剂是丹麦HALDOR TOPSOE A /S公司研发的催化剂,外形如起伏的波纹,从而形成小孔。加工工艺是先制作玻璃纤维加固的TiO2 基板,再把基板放到催化活性溶液中浸泡,以使活性成分能均匀地吸附在基板上。各种催化剂活性成分均为WO3 和V2O5。表3为各种催化剂的性能比较。
4 还原剂的选择
对于SCR工艺,选择的还原剂有尿素、氨水和纯氨。尿素法是先将尿素固体颗粒在容器中完全溶解,然后将溶液泵送到水解槽中,通过热交换器将溶液加热至反应温度后与水反应生成氨气; 氨水法,是将25%的含氨水溶液通过加热装置使其蒸发,形成氨气和水蒸汽;纯氨法是将液氨在蒸发器中加热成氨气,然后与稀释风机的空气混合成氨气体积含量为5%的混合气体后送入烟气系统。表4为各种还原剂的性能比较。
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