選擇性催化還原廢氣脫硝技術(shù)及應(yīng)用

    廢氣脫硝是目前發(fā)達(dá)國家普遍采用的減少NOx排放的方法，應(yīng)用較多的有選擇性催化還原法(Selective catalytic reduction，簡稱SCR)、選擇性非催化還原法(Selective non-catalytic reduction，以下簡稱SNCR)。SCR的脫硝率可達(dá)90%以上。SCR的發(fā)明權(quán)屬于美國，而日本率先于20世紀(jì)70年代實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用。目前該技術(shù)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用。日本有93%以上的廢氣脫硝采用SCR，運(yùn)行裝置超過300套。德國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)該技術(shù)，并規(guī)定發(fā)電量50 MW以上的電廠都得配備SCR裝置。臺(tái)灣有100套以上的SCR裝置在運(yùn)行。大慶石化總廠化肥廠、川化集團(tuán)公司、北京燕山石化公司合成橡膠廠和福建漳州電廠等也從國外引進(jìn)了SCR裝置。

　　1 技術(shù)原理

　　有多種還原劑(CH4、H2、CO和NH3)可以將NOx還原成N2，尤其是NH3可以按下式選擇性地和NOx反應(yīng)：

　　4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (1)

　　8NH3+6NO2 =7N2+12H2O (2)

　　通過使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，上述反?yīng)可以在200~450℃的范圍內(nèi)有效進(jìn)行。在NH3/NOx為1(摩爾比)的條件下，可以得到80%~90%的脫硝率。在反應(yīng)過程中，NH3有選擇性地和NOx反應(yīng)生成N2和H2O，而不是被O2所氧化。

　　2 工藝流程

　　SCR廢氣脫硫裝置的工藝流程如圖1所示，主要由氨氣供應(yīng)系統(tǒng)、氨氣控制系統(tǒng)、催化劑、排氣系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)和反應(yīng)器等組成。液氨由槽車運(yùn)送到液氨儲(chǔ)罐，液氨儲(chǔ)槽輸出的液氨在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，并將氨氣加熱到常溫后，送到氨氣緩沖罐備用。氨氣緩沖罐的氨氣經(jīng)調(diào)壓閥減壓后，通過噴氨格柵的噴嘴噴入廢氣中與廢氣混合，再經(jīng)靜態(tài)混合器充分混合后進(jìn)入催化反應(yīng)器。當(dāng)廢氣溫度低時(shí)，預(yù)熱系統(tǒng)用來加熱廢氣。達(dá)到反應(yīng)溫度且與氨氣充分混合的廢氣流經(jīng)SCR反應(yīng)器的催化層時(shí)，氨氣與NOx發(fā)生催化氧化還原反應(yīng)，將NOx還原為無害的N2和H2O。

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　　3 運(yùn)行控制

　　3.1 催化劑的活性

　　催化劑是SCR技術(shù)的核心，其形狀一般為板式或蜂窩式。由于蜂窩式催化劑優(yōu)良的耐久性、耐腐性、高可靠性，高反復(fù)利用率、低壓降，故使用的較廣泛。常用的催化劑主要成分為V2O5/TiO2。蜂窩式催化劑的斷面尺寸一般為：150 mm×150 mm;長度400 mm~1000 mm。SCR裝置的運(yùn)行成本在很大程度上取決于催化劑的壽命。其使用壽命又取決于催化劑活性的衰減速度。催化劑的失活分為物理失活和化學(xué)失活。典型的SCR催化劑化學(xué)失活主要是堿金屬(如Na、K、Ca等)和重金屬(如As、Pt、Pb等)引起的催化劑中毒。堿金屬吸附在催化劑的毛細(xì)孔表面，金屬氧化物(如MgO、KaO等)中和催化劑表面的SO3生成硫化物而造成催化劑中毒。砷中毒是廢氣中的三氧化二砷與催化劑結(jié)合引起的。催化劑物理失活主要是指高溫?zé)Y(jié)、磨損和固體顆粒沉積堵塞而引起催化劑活性破壞。

　　SCR系統(tǒng)所出現(xiàn)的磨損和堵塞可以通過反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)(設(shè)置自動(dòng)的導(dǎo)流葉片裝置，倒轉(zhuǎn)氨的噴射方向使之與流動(dòng)方向相反)加以緩解。如果廢氣中有粉塵，為了保證催化劑表面的潔凈，在反應(yīng)器中安裝吹灰器是很有必要的。

　　如果廢氣中含有能使催化劑中毒的固體顆粒物，則廢氣需進(jìn)行預(yù)處理，比如采用靜電除塵、加入脫砷劑等，去除催化劑毒物級(jí)固體顆粒物，避免催化劑中毒。

　　3.2 反應(yīng)溫度

　　不同的催化劑具有不同的適用溫度范圍。當(dāng)反應(yīng)溫度低于催化劑的適用溫度范圍下限時(shí)，在催化劑上會(huì)發(fā)生副反應(yīng)， NH3與SO3和H2O反應(yīng)生成(NH4)2SO4或NH4HSO4，減少與NOx 的反應(yīng)，生成物附著在催化劑表面，堵塞催化劑的通道和微孔，降低催化劑的活性。另外，如果反應(yīng)溫度高于催化劑的適用溫度，催化劑通道和微孔發(fā)生變形，導(dǎo)致有效通道和面積減少，從而使催化劑失活。溫度越高催化劑失活越快。

　　根據(jù)催化劑的適用溫度范圍，SCR工藝可分為高溫(345~590℃)、中溫(260~450℃)和低溫工藝(150~280℃)。

　　3.3 氨氣輸入量和混合

　　還原劑NH3的用量一般根據(jù)期望達(dá)到的脫硝效率，通過設(shè)定NH3和NOx的摩爾比來控制。催化劑的活性不同，達(dá)到相同轉(zhuǎn)化率所需要的NH3/NOx摩爾比不同。各種催化劑都有一定的NH3/NOx摩爾比范圍，當(dāng)摩爾比是較小時(shí)，NH3和NOx的反應(yīng)不完全，NOx的轉(zhuǎn)化率低;當(dāng)摩爾比超過一定范圍時(shí)，NOx的轉(zhuǎn)化率不再增加，造成還原劑NH3的浪費(fèi)，泄漏量增大，造成二次污染。

　　NH3與廢氣的混合程度也十分重要，如混合不均，即使輸入量不大，NH3和NOx也不能充分反應(yīng)，不僅不能到達(dá)有效脫硝的目的，還會(huì)增加NOx的泄漏量。當(dāng)速度分布均勻，流動(dòng)方向調(diào)整得當(dāng)時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率、液氨泄漏量及催化劑的壽命才能得到保證。采用合理的噴嘴格柵，并為NH3和廢氣提供足夠長的混合通道，是使NH3和廢氣均勻混合的有效措施。

　　3.4 NOx的在線監(jiān)測

　　由于噴氨量及NOx排放濃度均根據(jù)NOx在線監(jiān)測儀表的指示值來控制，因此NOx在線監(jiān)測儀表的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，直接關(guān)系到催化脫硝裝置的運(yùn)行效益、NOx的排放濃度、液氨泄漏量等指標(biāo)的高低。為此，NOx在線監(jiān)測儀表需要設(shè)置專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)、校驗(yàn)與檢修。

　　4 工業(yè)應(yīng)用

　　SCR廢氣脫硝技術(shù)在工業(yè)鍋爐、燃?xì)?燃油鍋爐、柴油機(jī)、垃圾焚燒爐、工業(yè)窯爐、化工廠等煙氣脫銷處理中都得到成功應(yīng)用。

　　某電廠燃煤煙氣SCR法處理裝置的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。該裝置1999年投運(yùn)至今，運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。

　　某化工廠用SCR法處理硝酸尾氣裝置的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。該裝置1993年投入運(yùn)行，脫硝效率達(dá)到93%以上，凈化尾氣達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境與社會(huì)效益顯著。

　　5 結(jié)語

　　SCR法是一項(xiàng)可靠有效的廢氣脫硝技術(shù)。目前，該法在我國大陸的應(yīng)用還較少，除了SCR裝置投資較高外，專業(yè)研究機(jī)構(gòu)少也是一個(gè)重要原因。脫硝催化劑的研究開發(fā)是SCR法應(yīng)用的關(guān)鍵，希望從事催化劑研究的單位能夠盡快開發(fā)出性能優(yōu)良、符合我國國情的脫硝催化劑。天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院瑞瑪公司是一個(gè)研究開發(fā)廢氣凈化技術(shù)和裝備的專業(yè)公司，目前為某公司年產(chǎn)2 500 t的鎳鈷粉體材料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)制造的SCR裝置正在安裝調(diào)試。該示范工程的建立，希望能夠促進(jìn)SCR技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用。