火力發(fā)電廠選擇性催化還原法脫硝技術(shù)

1、火力發(fā)電廠選擇性催化還原（SCR）法脫硝技術(shù)目前，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量已突破4 億 kW ，絕大多數(shù)為燃煤機(jī)組。以火電廠為主排放的SO2 和 NOx 不斷增加。 盡管 NOx 所帶來(lái)的危害有目共睹，但目前我國(guó)火電廠環(huán)保措施主要集中于脫硫處理， 而在控制NOx 排放方面則剛剛起步，與世界先進(jìn)國(guó)家相比尚有很大差距，主要原因是這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展較晚，需要的投資較大；另一方面，我國(guó)目前對(duì)NOx 排放的要求較低，新建火電廠鍋爐燃燒器只需采用低NOx 燃燒技術(shù)就可以達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，故脫硝技術(shù)在整個(gè)火電廠環(huán)保措施中所占的比重較小。針對(duì)這些問(wèn)題， 我國(guó)已著手進(jìn)行煙氣脫硝示范工程，要求已建和新建火電機(jī)組要逐漸把脫硝系統(tǒng)

2、列入建設(shè)規(guī)劃，到2010 年，從目前的新建火電廠規(guī)?？紤]，排除采用其他方式脫硝的機(jī)組。專家估測(cè)認(rèn)為， 至少有 2 億 kW 的機(jī)組容量需要建設(shè)脫硝系統(tǒng)，在脫硝項(xiàng)目上會(huì)形成可觀的市場(chǎng)規(guī)模。脫硝領(lǐng)域正在迅速形成一個(gè)總量達(dá)到1 100 億元的大市場(chǎng)。它將是繼火電廠脫硫技術(shù)后，又一個(gè)廣闊的極具爆發(fā)性增長(zhǎng)的市場(chǎng)。從2004 年底的 “環(huán)保風(fēng)暴 ”到 2005 年初的京都協(xié)議書(shū)正式生效、從國(guó)家不斷發(fā)布扶持政策鼓勵(lì)電力環(huán)保到大手筆的撥款資助，表明國(guó)家對(duì)電力環(huán)保產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支持力度越來(lái)越大，而煙氣脫硝產(chǎn)業(yè)正是在此背景下進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。煙氣脫硝是繼煙氣脫硫之后國(guó)家控制火電廠污染物排放的又一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。 200

3、4 年 7 月，我國(guó)公布并實(shí)施火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)火電廠 NOx 排放要求有了大幅度的提高， 并將成為控制火力發(fā)電廠大氣污染物排放、 改善我國(guó)空氣質(zhì)量和控制酸雨污染的推動(dòng)力。 今后，國(guó)家將對(duì)重點(diǎn)火電企業(yè)以發(fā)電污染物排放績(jī)效為基礎(chǔ)， 制定全國(guó)統(tǒng)一的火電行業(yè) SO2 和 NOx 排放總量控制指標(biāo)分配方法，并由國(guó)家統(tǒng)一分配 30 萬(wàn) kW 以上火電企業(yè)的排放總量控制指標(biāo)。從 “十一五 ”開(kāi)始，國(guó)家與省級(jí)環(huán)保部門將對(duì) 30 萬(wàn) kW 以上的火電企業(yè)的 SO2、 NOx 排放總量控制指標(biāo)實(shí)施共同監(jiān)控。目前應(yīng)用的火電廠鍋爐脫硝技術(shù)中，選擇性催化還原 （ Selective Catalytic Re

4、duction 簡(jiǎn)稱 SCR）法脫硝工藝被證明是應(yīng)用最多且脫硝效率最高、 最為成熟的脫硝技術(shù)， 是目前世界上先進(jìn)的火電廠煙氣脫硝主流技術(shù)之一。 1975 年在日本 Shimoneski 電廠建立了第一個(gè) SCR 系統(tǒng)示范工程，其后 SCR 技術(shù)在日本得到了廣泛應(yīng)用，大約有 170 套裝置，接近 100 GW 容量的電廠安裝了這種設(shè)備。在歐洲已有 120 多臺(tái)大型裝置的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其 NOx 的脫除率可達(dá)到 80 90%。美國(guó)政府也將 SCR 技術(shù)作為主要的電廠控制 NOx 技術(shù)。SCR 法是一種燃燒后NOx 控制工藝，關(guān)鍵技術(shù)包括將氨氣噴入火電廠鍋爐燃煤產(chǎn)生的煙氣中；把含有 NH3( 氣 )

5、的煙氣通過(guò)一個(gè)含有專用催化劑的反應(yīng)器；在催化劑的作用下，NH3( 氣 )同 NOx 發(fā)生反應(yīng)，將煙氣中的 NOx 轉(zhuǎn)化成 H2O 和 N2 等過(guò)程，脫硝效率 90%。目前，利用該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品在全球占有率高達(dá)98%，居世界發(fā)達(dá)國(guó)家煙氣脫硝技術(shù)首位。在我國(guó)， 1995 年第一次修訂大氣污染防治法時(shí)，就在增加的有關(guān)條款中要求“企業(yè)應(yīng)當(dāng)逐步對(duì)燃煤產(chǎn)生的NOx 采取控制的措施 ”；1996 年修訂火電廠排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)新建30 萬(wàn) kW以上火電機(jī)組提出了NOx 排放控制標(biāo)準(zhǔn)，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223 2003對(duì)新老機(jī)組提出更嚴(yán)格的NOx 排放濃度限值； 在 2003 年 7 月 1 日開(kāi)始實(shí)

6、施的 排污費(fèi)征收使用管理?xiàng)l例中，也規(guī)定對(duì)NOx 征收排污費(fèi)，征收標(biāo)準(zhǔn)與SO2 相同；電力工業(yè)環(huán)境保護(hù)“十五 ”規(guī)劃中， 提出 “大力推廣低氮燃燒器及采用分級(jí)燃燒技術(shù)；現(xiàn)有20 萬(wàn) kW 火電機(jī)組開(kāi)始啟動(dòng)低氮燃燒技術(shù)改造，“十五 ”期末，力爭(zhēng)在運(yùn)行鍋爐上完成排煙脫硝工業(yè)示范試驗(yàn)”。20 世紀(jì) 90 年代建成的福建后石電廠60 萬(wàn) kW 火電機(jī)組已建成排煙脫硝裝置，NOx 排放濃度 85 mg/m3，遠(yuǎn)低于 650 mg/m3 。由此可見(jiàn)， 對(duì)火電廠排放NOx 實(shí)行總量控制已具備法律、排放標(biāo)準(zhǔn)、排污收費(fèi)、治理技術(shù)等方面的條件?！笆晃?”對(duì)火電廠排放NOx 實(shí)施總量控制將是最佳的時(shí)機(jī)。相對(duì)于火力發(fā)

7、電脫硫，煙氣脫硝是控制火力發(fā)電污染排放的更高要求。由于技術(shù)的特殊性，煙氣脫硝裝置必須與電廠建設(shè)同步進(jìn)行。2005 年 4 月，電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院主持召開(kāi)火電廠煙氣脫硝技術(shù)及SCR 脫硝裝置預(yù)留方案專題研討會(huì)，對(duì)在大容量常規(guī)燃煤火電機(jī)組的建設(shè)中預(yù)留煙氣脫硝裝置的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析研究。根據(jù) GB13223 2003 中 “第 3 時(shí)段火力發(fā)電鍋爐須預(yù)留煙氣脫除NOx 裝置空間 ”的要求，結(jié)合我國(guó)火電廠脫硝技術(shù)現(xiàn)階段的實(shí)際情況， 2004 年 1 月 1 日起新建的300 MW 及以上容量燃煤鍋爐，須暫按SCR 預(yù)留脫硝裝置空間。重點(diǎn)對(duì)SCR 反應(yīng)器布置場(chǎng)地預(yù)留、催化劑層數(shù)及荷載預(yù)留、爐膛瞬態(tài)防爆壓

8、力的選取、空預(yù)器改造條件預(yù)留、引風(fēng)機(jī)改造條件預(yù)留、電除塵器設(shè)計(jì)選型要求、還原劑儲(chǔ)存、制備場(chǎng)地的預(yù)留等技術(shù)方案進(jìn)行了充分的論證并形成了初步意見(jiàn)。2005 年，哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司與三菱重工業(yè)株式會(huì)社正式簽署了脫硝 SCR 技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，成為國(guó)內(nèi)首家引進(jìn)脫硝技術(shù)的企業(yè)。此次哈鍋 SCR 脫硝技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議的簽署，將為我國(guó)燃煤電廠控制NOx排放提供重要的技術(shù)支撐。2005 年，東方電氣集團(tuán)東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司正式與恒運(yùn)集團(tuán)公司廣州恒運(yùn)電廠簽訂了 2×30 萬(wàn) kW 火電廠機(jī)組煙氣脫硝工程項(xiàng)目總承包合同。此舉打破了國(guó)外廠商對(duì)我國(guó)脫硝領(lǐng)域的壟斷， 東方鍋爐成為國(guó)內(nèi)首家獲得大型火電機(jī)組

9、煙氣脫硝工程項(xiàng)目的制造商。東方鍋爐不僅從魯奇比肖夫公司引進(jìn)了SCR 技術(shù)，還在2004 年 11 月與德國(guó)KWH 公司合資生產(chǎn)煙氣脫硝所需要的催化劑，形成年產(chǎn)4 500 m3 催化劑的生產(chǎn)能力，從而為煙氣脫硝實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化打下了良好基礎(chǔ)。廈門嵩嶼電廠二期機(jī)組SCR 煙氣脫硝反應(yīng)器第一套日前已制作完成。嵩嶼電廠二期兩臺(tái)30萬(wàn) kW 燃煤機(jī)組是國(guó)內(nèi)首家增加了脫硝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)機(jī)組。該脫硝設(shè)備投入使用后，脫硝效率達(dá) 60%， NOx 排放小于 180 mg/ mN3 ，大大低于 GB13223 2003 中小于 450 mg/mN3 的排放標(biāo)準(zhǔn)。目前， 北京大唐高井熱電廠于 2006 年開(kāi)始對(duì)鍋爐煙氣進(jìn)行脫

10、硝改造，采用 SCR 技術(shù)，脫硝率可達(dá) 80。到 2007 年年底全部改造完成后，高井熱電廠將成為北京市惟一進(jìn)行鍋爐煙氣脫硝的電廠，鍋爐排煙中 NOx 將低于 200 mg/ mN3 。江蘇太倉(cāng)電廠2×600 MW 超臨界發(fā)電機(jī)組脫硝項(xiàng)目以SCR 工藝為基點(diǎn)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)施平臺(tái)化開(kāi)發(fā)，技術(shù)起點(diǎn)高、實(shí)施手段先進(jìn)，整體技術(shù)性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1 SCR 法原理及流程SCR 技術(shù)是還原劑（NH3 、尿素）在金屬催化劑作用下，選擇性地與NOx 反應(yīng)生成 N2H2O ，而不是被O2 所氧化，故稱為“選擇性 ”。金屬催化劑有貴金屬和非貴金屬兩類。主要和反應(yīng)如下：4NH3+4NO O2 4

11、N2+6H 2O4NH3+2NO2 O2 6N2+6H2OSCR 系統(tǒng)包括催化劑反應(yīng)室、NH3 儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、 NH3 噴射系統(tǒng)及相關(guān)的測(cè)試控制系統(tǒng)。SCR工藝的核心裝置是催化劑反應(yīng)器，有水平和垂直氣流兩種布置方式，如圖 1 所示。在燃煤鍋爐中，煙氣中的含塵量很高，一般采用垂直氣流方式。采用催化劑促進(jìn)NH3 和 NOx 的還原反應(yīng)時(shí)， 其反應(yīng)溫度取決于所選用催化劑的種類。當(dāng)采用釩或鐵氧化物類的催化劑時(shí)， 其反應(yīng)溫度為 300 400 。當(dāng)采用活性焦炭作為催化劑時(shí)，其反應(yīng)溫度為 100150 。因此，根據(jù)所采用的催化劑的不同，催化劑反應(yīng)器應(yīng)布置在尾部煙道中相應(yīng)溫度的位置。1.1 布置在空氣預(yù)熱器前這

12、是工業(yè)應(yīng)用中常用的一種布置方式，如圖2 所示，此時(shí)煙氣中的全部飛灰和SO2 均通過(guò)催化劑反應(yīng)器，反應(yīng)器的工作條件是在未經(jīng)除塵的煙氣中。這種布置方案的煙氣溫度在300 500 ，適合于多數(shù)催化劑的反應(yīng)溫度，因而它應(yīng)用最為廣泛。但是，因催化劑是在未經(jīng)除塵的煙氣中工作，故催化劑的壽命會(huì)受下列因素的影響：（ 1）煙氣攜帶的飛灰中含有 Na、K 、Ca、 Si、As 等時(shí)，會(huì)使催化劑 “中毒 ”或受污染，從而降低催化劑的效能；（ 2）飛灰對(duì)催化劑反應(yīng)器的磨損；（ 3）飛灰使催化劑反應(yīng)器蜂窩狀通道堵塞；（ 4）煙氣溫度升高，會(huì)將催化劑燒結(jié)，或使之再結(jié)晶而失效；（ 5）煙氣溫度降低， NH3 會(huì)和 SO3

13、反應(yīng)生成（ NH4 ）2 SO4，從而會(huì)堵塞催化反應(yīng)器通道和空氣預(yù)熱器；（ 6）高活性的催化劑會(huì)促使煙氣中的 SO2 氧化成 SO3，因此這種布置應(yīng)避免采用高活性的催化劑。為了盡可能延長(zhǎng)催化劑的使用壽命， 除了應(yīng)選擇合適的催化劑之外， 要使反應(yīng)器通道有足夠的空間以防堵塞，同時(shí)還要有防腐、防磨措施。1.2布置在靜電除塵器和空氣預(yù)熱器之后在這種方案中，溫度為300 500 的煙氣先經(jīng)電除塵器再進(jìn)入催化劑反應(yīng)器，這樣可以防止煙氣中的飛灰對(duì)催化劑的污染和將反應(yīng)器磨損或堵塞，但煙氣中的SO2 始終存在，因此煙氣中的 NH3 和 SO3 反應(yīng)生成（ NH4 ） 2 SO4 而發(fā)生堵塞的可能性仍然存在。這一

14、方案的最大弊端是靜電除塵器無(wú)法在300 500 下正常運(yùn)行，因此很少被采用。1.3 布置在濕法煙氣脫硫裝置之后當(dāng)鍋爐尾部煙道中裝有濕法煙氣脫硫(FGD) 裝置時(shí)， 可將催化劑反應(yīng)器裝于FGD 裝置之后，如圖 3 所示。由于不存在飛灰對(duì)反應(yīng)器的堵塞及腐蝕問(wèn)題，也不存在催化劑的污染和中毒問(wèn)題，因此可以采用高活性的催化劑，并使反應(yīng)器布置緊湊，以減少反應(yīng)器的體積。當(dāng)催化劑在除塵后煙氣中工作時(shí)，其工作壽命可達(dá)3 5 年 (在未除塵的煙氣中工作壽命為23 年 )。這一布置方案存在的問(wèn)題是： FGD 裝置排煙溫度僅為 50 60 ，為使煙氣在進(jìn)入催化劑反應(yīng)器之前達(dá)到所需要的反應(yīng)溫度，需要在煙道內(nèi)加裝燃油或燃

15、燒天然氣的燃燒器，或蒸汽加熱的換熱器以加熱煙氣，從而增加了能源消耗和運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)催化劑反應(yīng)器在尾部煙道的位置確定以后，含有NOX的煙氣和混有適當(dāng)空氣的NH3在反應(yīng)器人口處和煙氣混合，然后進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層。催化劑反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。通常，先將催化劑制成板狀或蜂窩狀的催化劑元件，然后再將這些元件制成催化劑組塊，最后將這些組塊構(gòu)成反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層。催化劑層數(shù)取決于所需的催化劑反應(yīng)表面積。對(duì)于工作在未除塵的高塵煙氣中的催化劑反應(yīng)器，典型的布置方式是布置三層催化劑層。在最上一層催化劑層的上面，是一層無(wú)催化劑的整流層，其作用是保證煙氣進(jìn)入催化劑層時(shí)分布均勻。通常，在第三層催化劑下面還有一

16、層備用空間，以便在上面某一層的催化劑失效時(shí)加入第四層催化劑層。2 影響 SCR 脫硝率的因素在 SCR 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最重要的運(yùn)行參數(shù)是反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、NH3/NOx 摩爾比、煙氣流速、 O2 濃度、 NH3 的溢出濃度、SO3 濃度、 H2O （蒸汽）濃度、鈍化影響等。反應(yīng)溫度是選擇催化劑的重要運(yùn)行參數(shù)， 催化反應(yīng)只能在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行， 同時(shí)存在催化的最佳溫度， 這是每種催化劑特有的性質(zhì)， 因此反應(yīng)溫度直接影響反應(yīng)的進(jìn)程。 在 SCR 工作過(guò)程中溫度的影響有兩方面： 一是溫度升高使脫 NOx 反應(yīng)速度加快， NOx 脫除率升高；二是溫度升高 NH3 氧化反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，使 NOx 脫除

17、率下降。反應(yīng)時(shí)間是煙氣與催化劑的接觸時(shí)間，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，NOx 脫除率迅速增加，當(dāng)接觸時(shí)間增至200 ms 左右時(shí)， NOx 脫除率達(dá)到最大值，隨后下降。這主要是由于煙氣與與催化劑的接觸時(shí)間增大，有利于煙氣在催化劑微孔內(nèi)的擴(kuò)散、吸附、反應(yīng)和生成物的解吸、擴(kuò)散，從而使NOx脫除率提高。但是，隨著接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，NH3氧化反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，使NOx脫除率下降。NOx 脫除率隨著NH3/NOx 摩爾比的增加而增加，NH3/NOx 摩爾比小于1 時(shí)，其影響更加明顯。若 NH3 投入量偏低，NOx 脫除率不高；若NH3 投入量偏高， NH3 氧化等副反應(yīng)的反應(yīng)速度將增大，從而降低了NOx 脫除率，同時(shí)也

18、增加了凈化后煙氣中NH3 的排放濃度，造成二次污染。一般控制NH3/NOx 摩爾比在1.2 以下。另外，煙氣流速直接影響 NH3 與 NOx 的混合程度，需要設(shè)計(jì)合理的流速以保證 NH3 與 NOx 充分混合使反應(yīng)充分進(jìn)行； 同時(shí)反應(yīng)需要 O2 的參與， 隨著 O2 濃度增加， 催化劑性能提高，但 O2 濃度不能過(guò)高，一般控制在 2% 3%； NH3 的溢出濃度是影響 SCR 系統(tǒng)運(yùn)行的另一個(gè)重要參數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)中通常是多于理論量的 NH3 被噴射進(jìn)入系統(tǒng)，反應(yīng)后在煙氣下游多余的 NH3 稱為 NH3 的溢出，NOx 脫除效率隨著NH3 的溢出量的增加而增加，在某一個(gè) NH3的溢出量時(shí)達(dá)到一個(gè)最

19、大值；另外H2O （蒸汽）濃度的增加使催化劑性能下降，催化劑鈍化失效也不利于SCR 系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須加以有效控制1 。3 SCR 法存在的問(wèn)題3.1催化劑的活性和成本催化劑的設(shè)計(jì)壽命決定著 SCR 系統(tǒng)的運(yùn)行成本。催化劑失去活性主要是指高溫?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(guò)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) NH3 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As 劑等，去除催化劑毒物級(jí)固體顆粒物，避免催化劑中毒。另外，催化劑的自主研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用研究還需深入。催化劑的成本占脫硝工程總成本的30% 40%，如果能實(shí)現(xiàn)催化劑國(guó)產(chǎn)化，將使該技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力邁上更高臺(tái)階。3.2缺乏獨(dú)立自主的SCR 脫硝技術(shù)目前，國(guó)內(nèi)已建成的大型SCR 脫硝工程基本是采用全套進(jìn)口設(shè)備或引進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備，投產(chǎn)后效果較好。但同時(shí)又都存在建設(shè)投資大、運(yùn)行費(fèi)用高（采用NH3 選擇性催化還原法凈化燃燒尾氣，削減單位NOx 排放量所需費(fèi)用高于脫SO2，其原材料的來(lái)源也較困難）、不符合國(guó)內(nèi)習(xí)慣等問(wèn)題，采用技術(shù)引進(jìn)也存在需要支付高額的技術(shù)使用費(fèi)，在工期