1、SCR與SNCR煙氣脫硝的主要工藝氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格促使學(xué)術(shù)界去更加深入地理解NOx的產(chǎn)生機(jī)理和減排措施，從而使得工程界有了更為有效的NOx解決方案，而若干脫硝工業(yè)裝置的成功運(yùn)行又使得立法越發(fā)的完善。從1943年Zeldovich提出熱力NO的概念，到1989年一個(gè)基于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)軟件CHEMKIN的包含234個(gè)化學(xué)反應(yīng)的NOx預(yù)測(cè)模型的建立，再到現(xiàn)今計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件STAR-CD(或FLUENT)與CHEMKIN的完全耦合解算NOx的生成，無(wú)一不給工程界提供了完備的技術(shù)后盾。從低氧燃燒、排氣循環(huán)燃燒、二級(jí)燃燒、

2、濃淡燃燒、分段燃燒、低氮燃燒器等各種爐內(nèi)燃燒過(guò)程的改進(jìn)到現(xiàn)今形式各異的脫硝工藝，立法界、學(xué)術(shù)界和工程界的交替作用使得脫硝工藝和市場(chǎng)日趨成熟和完善。2.1 選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction, SCR)是指在催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無(wú)毒無(wú)污染的N2和H2O。其原理首先由Engelhard公司發(fā)現(xiàn)并于1957年申請(qǐng)專(zhuān)利，后來(lái)日本在該國(guó)環(huán)保政策的驅(qū)動(dòng)下，成功研制出了現(xiàn)今被廣泛使用的V2O5/TiO2催化劑，并分別在197

3、7年和1979年在燃油和燃煤鍋爐上成功投入商業(yè)運(yùn)用。SCR目前已成為世界上應(yīng)用最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術(shù)，其主要反應(yīng)方程式為：4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O (1)8NH3+6NO2=7N2+12H2O (2)或 4NH3+2NO2+O2=3N2+6H2O (2a)選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┛梢允狗磻?yīng)(1)及(2)在200400的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，并能有效地抑制副反應(yīng)的發(fā)生。在NH3與NO化學(xué)計(jì)量比為1的情況下，可以得到高達(dá)8090的NOx脫除率。目前，世界上采用SCR的裝置有數(shù)百套之多，技術(shù)成熟且運(yùn)行可靠。我國(guó)電力系統(tǒng)目前最大的煙氣脫硝裝置福建后石電廠600MW機(jī)組配套煙氣脫硝

4、系統(tǒng)采用的就是PM型低NOx燃燒器加分級(jí)燃燒結(jié)合SCR裝置的工藝，其SCR部分的示意工藝流程如圖1所示，主要由氨氣及空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氨氣/空氣噴霧系統(tǒng)、催化反應(yīng)器等組成。液氨由槽車(chē)運(yùn)送到液氨貯槽，輸出的液氨經(jīng)氨氣蒸發(fā)器后變成氨氣，將之加熱到常溫后送氨氣緩沖槽備用。緩沖槽的氨氣經(jīng)減壓后送入氨氣/空氣混合器中，與來(lái)自送風(fēng)機(jī)的空氣混合后，通過(guò)噴氨隔柵(Ammonia Injection Grid, AIG)之噴嘴噴入煙氣中并與之充分混合，繼而進(jìn)入催化反應(yīng)器。當(dāng)煙氣流經(jīng)催化反應(yīng)器的催化層時(shí)，氨氣和NOx在催化劑的作用下將NO及NO2還原成N2和H2O。NOx的脫除效率主要取決于反應(yīng)溫度、NH3與NOx的

5、化學(xué)計(jì)量比、煙氣中氧氣的濃度、催化劑的性質(zhì)和數(shù)量等。圖1 SCR工藝流程圖Fig.1 Schematic Selective Catalytic Reduction (SCR) processSCR系統(tǒng)的布置方式有三種，上述后石電廠的布置方式稱為高溫高塵布置方式，此外還有高溫低塵及低溫低塵的布置形式。高溫高塵布置方式是目前應(yīng)用最為廣泛的一種，其優(yōu)點(diǎn)是催化反應(yīng)器處于300400的溫度范圍內(nèi)，有利于反應(yīng)的進(jìn)行，然而由于催化劑處于高塵煙氣中，條件惡劣，磨刷嚴(yán)重，壽命將會(huì)受到影響。高溫低塵布置方式是指SCR反應(yīng)器布置在省煤器后的高溫電除塵器和空氣預(yù)熱器之間，該布置方式可防止煙氣中飛灰對(duì)催化劑的污染和對(duì)

6、反應(yīng)器的磨損與堵塞，其缺點(diǎn)是電除塵器在300400的高溫下運(yùn)行條件差。低溫低塵布置(或稱尾部布置)方式是將SCR反應(yīng)器布置在除塵器和煙氣脫硫系統(tǒng)之后，催化劑不受飛灰和SO2的影響，但由于煙氣溫度較低，一般需要?dú)鈿鈸Q熱器或采用加設(shè)燃油或天然氣的燃燒器將煙溫提高到催化劑的活性溫度，勢(shì)必增加能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用。SCR可能產(chǎn)生的問(wèn)題主要有：(1)氨泄漏(NH3 slip)，是指未反應(yīng)的氨排出系統(tǒng)，造成二次污染，采用合理的設(shè)計(jì)通?？梢詫钡男孤┝靠刂圃?ppm以內(nèi)；(2)當(dāng)燃用高硫煤時(shí)，煙氣中部分SO2將被氧化生成SO3，這部分SO3以及煙氣中原有的SO3將與NH3進(jìn)一步反應(yīng)生成氨鹽，從而造成催化劑中毒

7、或堵塞。其發(fā)生的主要副反應(yīng)有：2SO2+O2=2SO3 (3)2NH3+SO3+H2O=(NH4)2SO4 (4)NH3+SO3+H2O=NH4HSO4 (5)這主要通過(guò)燃用低硫煤、降低氨泄漏量或?qū)CR反應(yīng)器置于FGD系統(tǒng)后來(lái)控制或減少氨鹽的生成。(3)飛灰中的重金屬(主要是As)或堿性氧化物(主要有MgO，CaO，Na2O，K2O等)的存在會(huì)使催化劑中毒或活性顯著降低。(4)過(guò)量的NH3可能和O2反應(yīng)生成N2O，盡管N2O對(duì)人體沒(méi)有危害，但近來(lái)的研究成果表明，N2O是造成溫室效應(yīng)的氣體之一。其可能發(fā)生的反應(yīng)為：2NH3+2O2=N2O+3H2O (6)然而所有這些問(wèn)題都可以通過(guò)選擇合適的催

8、化劑、控制合理的反應(yīng)溫度、調(diào)節(jié)理想的化學(xué)計(jì)量比等方法使之危害降到最低。SCR技術(shù)對(duì)鍋爐煙氣NOx的控制效果十分顯著，具有占地面積小、技術(shù)成熟可靠、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，是目前唯一大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用并能滿足任何苛刻環(huán)保政策的控制措施，可作為我國(guó)燃煤電廠控制NOx污染的主要手段之一。然而由于SCR需要消耗大量的催化劑，因此也存在運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備投資大的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)改造機(jī)組亦有場(chǎng)地限制，對(duì)設(shè)計(jì)水平提出了更高的要求。2.2 選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)SCR技術(shù)的催化劑費(fèi)用通常占到SCR系統(tǒng)初始投資的50-60左右，其運(yùn)行成本很大程度上

9、受催化劑壽命的影響，選擇性非催化氧化還原法應(yīng)運(yùn)而生。選擇性非催化氧化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)工藝，或被稱為熱力DeNOx工藝最初由美國(guó)的Exxon公司發(fā)明并于1974在日本成功投入工業(yè)應(yīng)用。其基本原理是上述反應(yīng)(1)在沒(méi)有催化劑的情況下可以在9008001100這一狹窄的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而且基本上不與O2作用。SNCR法的還原劑除了NH3以外還可以采用尿素或其它氨基，其反應(yīng)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。當(dāng)用尿素作還原劑時(shí)其反應(yīng)方程式可簡(jiǎn)單表示如下如下：H2NCONH2+2NO+1/2O2=2N2+CO2+H2O (7)同SCR工藝類(lèi)似，NOx的脫

10、除效率主要取決于反應(yīng)溫度、NH3與NOx的化學(xué)計(jì)量比、混合程度，反應(yīng)時(shí)間等。研究表明，SNCR工藝的溫度控制至關(guān)重要，若溫度過(guò)低，NH3的反應(yīng)不完全，容易造成NH3泄漏；而溫度過(guò)高，NH3則容易被氧化為NO，抵消了NH3的脫除效果。溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致還原劑損失和NOx脫除率下降。通常，設(shè)計(jì)合理的SNCR工藝能達(dá)到高達(dá)30-70%的脫除效率，甚至80%的效率亦見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。SNCR可能出現(xiàn)的問(wèn)題同SCR工藝相似，比如氨泄漏，N2O的產(chǎn)生，當(dāng)采用尿素作還原劑時(shí)，還可能產(chǎn)生CO二次污染等問(wèn)題。然而通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)和參數(shù)控制，這些隱患均可以降到最小。SNCR與SCR相比運(yùn)行費(fèi)用低，舊設(shè)備改造少，尤

11、其適合于改造機(jī)組，僅需要氨水貯槽和噴射裝置，投資較SCR法小，但存在還原劑耗量大、NOx脫除效率低等缺點(diǎn)，溫度窗口的選擇和控制也比較困難，同時(shí)鍋爐型式和負(fù)荷狀態(tài)的不同需要采用不同的工藝設(shè)計(jì)和控制策略，設(shè)計(jì)難度較大。SCR工藝與SNCR工藝的比較如表1所示。表1 SCR與SNCR工藝比較Table 1 Comparison of SCR and SNCR工藝名稱選擇性催化氧化還原法(SCR)選擇性非催化氧化還原法(SNCR)NOx脫除效率(%)70-9030-80操作溫度()200-500800-1100NH3/NOx摩爾比氨泄漏(ppm)<55-20總投資高低操作成本中等中等SNCR/S

12、CR聯(lián)合煙氣脫硝技術(shù)結(jié)合了兩者優(yōu)勢(shì)，將SNCR工藝的還原劑噴入爐膛，用SCR工藝使逸出的NH3和未脫除的NOx進(jìn)行催化還原反應(yīng)。典型的聯(lián)合裝置能脫除84的NOx，同時(shí)逸出NH3濃度低于10ppm。圖2給出了SNCR/SCR聯(lián)合工藝NOx的理論脫除效率曲線，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示單純采用SNCR或SCR工藝時(shí)NOx的脫除效率，從圖中可以看出，如果要達(dá)到50%的總脫除效率，并假如SNCR的效率為20%，那么SCR的效率只要不低于37.5%就能滿足要求。應(yīng)當(dāng)指出的是，圖2并未考慮低氮燃燒器或燃燒改進(jìn)引起的氮氧化物脫除，假如該效率以50%計(jì)，SNCR和SCR的效率分別為20%和37.5%，那么總的NOx效率將高達(dá)75%。該分析方法也同樣適合于其它聯(lián)合工藝效率的估計(jì)，然而應(yīng)當(dāng)注意的