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SCR 烟气脱硝催化剂生产与应用现状

SCR 烟气脱硝催化剂生产与应用现状

北极星电力网技术频道 作者:朱林 吴碧君 段玖祥 曹林岩 刘汉强 赵禹 曹莉莉 2009-12-30 10:15:11

0 引言

氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物,主要包 括NO、NO2、N2O 等,可以引起酸雨、光化学烟雾、温 室效应及臭氧层的破坏。自然界中的NOx 63%来自 工业污染和交通污染,是自然发生源的2 倍,其中电 力工业和汽车尾气的排放各占40%,其他工业污染 源占20%。在通常的燃烧温度下,燃烧过程产生的 NOx 中90%以上是NO,NO2 占5%~10%,另有极少 量的N2O。NO 排到大气中很快被氧化成NO2,引起 呼吸道疾病,对人类健康造成危害。

火电厂产生的NOx 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NOx;另一部分由 空气中的氮高温氧化所致,即热力型NOx,化学反 应为:

N2 + O2→2NO (1)

NO + 1/2 O2→NO2 (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NOx,简称瞬态型 NOx [1]。 减少NOx 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NOx 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。

1 烟气脱硝工艺

1.1 相关化学反应

NO 的分解反应(式(1)的逆反应)在较低温度 下反应速度非常缓慢,迄今为止还没有找到有效的催 化剂。因此,要将NO 还原成N2,需要加入还原剂。氨 (NH3)是至今已发现的最有效的还原剂。有氧气存 在时,在900~1 100℃,NH3 可以将NO 和NO2 还原成 N2 和H2O,反应如式(3)、(4)所示[4]。还有一个副反 应,生成副产物N2O,N2O 是温室气体,因此,式(5) 的反应是不希望发生的。 4NO + 4NH3 + O2→4N2 + 6H2O (3) 2NO2 + 4NH3 + O2→3N2 + 6H2O (4) 4NO + 4NH3 + 3O2→4N2O + 6H2O (5) 在900℃时,NH3 还可以被氧气氧化,如式(6)~ (8)所示。

2NH3 + 3/2 O2→N2 + 3H2O (6) 2NH3 + 2 O2→N2O + 3H2O (7) 2NH3 + 5/2 O2→2NO + 3H2O (8) 这就意味着NH3 除了担任NO、NO2 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N2、N2O 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-Catalytic Reduction)利用锅炉顶部850~1 050℃的高 温条件,喷入NH3 在没有催化剂作用下还原NOx,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 850~1 050 ℃ 时,NH3 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NH3/NO 摩尔比,增 加了NH3 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NH3 在 相对较低的温度下将NO 和NO2 还原成N2,而几乎 不发生NH3 的氧化反应,从而提高了N2 的选择性, 减少了NH3 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NH3/NOx 的摩 尔比为1 时,NOx 的脱除率可达90%,NH3 的逃逸量 控制在5 mg/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NH3 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

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