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摘要：大型电站锅炉在进行煤粉燃烧时会产生大量的氮氧化物。这些氮氧化物对人体健康造成直接危害，同时造成严重的环境污染。文章分析了影响选择性催化还原法烟气脱硝效率的主要因素，重点分析了脱硝效率随烟气流量、烟气温度、入口NOX浓度、氨氮摩尔比（NH3/NOX）、停留时间的变化规律。
关键词：SCR；脱硝效率；烟气处理
中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0084-03
大型电站锅炉在进行煤粉燃烧时会产生大量的氮氧化物，其主要成分是一氧化氮、二氧化氮和氧化二氮。这些氮氧化物对人体健康造成直接危害，同时会参与形成光化学烟雾、酸雨、造成严重的环境污染。氧化二氮还是一种温室气体并会破坏大气臭氧层。目前燃煤电站的NOX控制途径主要包括低NOX燃烧技术和烟气脱硝技术。其中低NOX燃烧技术包括低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和烟气再循环技术。空气分级燃烧技术被广泛应用，其中有德国的WS型、DS型、SM型燃烧器，美国的DRB型燃烧器，日本的PM型燃烧器。烟气脱硝技术主要包括选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。选择性非催化还原技术由于具有脱硝效率低、反应温度范围狭窄、二次污染、腐蚀设备、控制较难等局限性未能得到广泛的工业应用，只适合中小型电厂锅炉改造。选择性催化还原技术以其脱硝效率高（可达90%）、技术成熟、无二次污染等优势在国内外得到广泛应用。随着国家最新环保标准（GB 13223-2011）的出台，为了达到最新NOX排放要求，大批国内现有火电机组都进行了脱硝改造，绝大部分采用了低氮燃烧技术配合选择性催化还原（SCR）技术。
1 选择性催化还原法（SCR）脱硝原理
SCR脱硝原理如图1所示：向催化剂上游的烟气中喷入氨气或其他还原剂，在催化剂的作用下烟气中的NOx被氨还原为氮气和水。通常选用的还原剂为液氨、氨水、尿素，无论以何种形式使用氨，均要使氨和烟气混合，利用喷氨格栅将其喷入SCR反应器上游的烟气中。
NO被还原的反应方程式：
NO2被还原的反应方程式如下：
2 影响SCR脱硝效率的主要因素
影响SCR系统脱硝效率的主要因素包括烟气流量、烟气温度、入口NOX浓度、飞灰特性、催化剂的结构类型、氨氮摩尔比（NH3/NOX）、停留时间、NH3/NOX的混合效果等。
2.1 烟气流量
图2为丰润热电1号机组（300MW）脱硝效率与烟气流量的关系曲线，从图2中可以看出，在其他反应条件不变的条件下，随着SCR反应器入口烟气量的增大，NOX的脱除率逐渐降低。这表明，催化剂体积与其处理烟气量的能力有着直接关系，烟气量超过设计值会导致脱硝效率明显下降。
2.2 烟气温度
采用V2O5/TiO2作催化剂时，烟气温度对脱硝效率有较大的影响，图3为催化剂厂家提供的烟气温度与脱硝效率的关系曲线。在340℃～400℃内，随着烟气温度的升高，催化剂的反应活性增加，脱硝效率逐渐增加，400℃时脱硝效率达到最大值80%。烟温大于400℃时，随着烟温的升高脱硝效率反而降低。这是由于以下两个原因造成的：（1）烟温太高导致催化剂烧结使催化剂失活，而且催化剂的烧结过程是不可逆的。一般在烟气温度高于400℃时，烧结就开始发生。V2O5-WO3-TiO2系催化剂在烟气脱硝中，载体TiO2晶型为锐钛型，烧结后会转变成金红石型，从而导致晶体粒径成倍增大，催化剂的微孔数量锐减，催化剂活性位数量锐减；（2）当温度超过399℃时，氨被氧化为氮氧
化物。
2.3 烟气NOX浓度
丰润热电2号机组脱硝效率与进口NOX浓度的关系如图4所示。从图4中可以看出，在保持供氨量及烟气量不变的工况下，脱硝效率随着SCR进口NOX浓度的增加而降低。当SCR进口NOX浓度小于400mg/NM3（设计值）时，脱硝效率大于设计值80%；当SCR进口NOX浓度大于400mg/NM3时，脱硝效率明显降低，这表明在NOX浓度超过设计值的情况下控制NOX浓度达到排放要求难度很大，这就需要设计时留出足够的余量。
2.4 烟气成分
烟气中的飞灰造成催化剂机械磨损：SCR反应器中的催化剂垂直布置，烟气自反应器顶部垂直向下平行催化剂流动，在较大空速下，烟气中的大颗灰粒对催化剂造成较大磨损。其磨损程度主要受燃煤灰分的大小、灰粒的物理特性、催化剂孔道的烟速及催化剂的积灰情况等影响。当燃料确定后催化剂的磨损与通过催化剂孔道的烟速立方成正比。图5为某电厂催化剂堵灰造成局部烟气流速增加导致催化剂的大面积磨损、脱硝效率下降及氨逃逸率增加。
烟气中的CaO、碱金属及As2O3造成催化剂中毒，即钙化物中毒、碱金属中毒和砷中毒。（1）飞灰中的CaO与SO3反应，被催化剂表面所吸附形成CaSO4，CaSO4膜覆盖在催化剂表面从而影响NOx与NH3的接触反应；（2）飞灰中的碱金属（最主要的为Na和K）能够与催化剂的活性成分直接发生反应，减少了催化剂的有效活性位，致使催化剂失活。碱金属在水溶下的活性很强，将完全渗透进入催化剂材料中，因此避免水蒸气在催化剂表面凝结，可有效避免此类情况发生；（3）烟气中As2O3随粉尘在催化剂上凝结，覆盖在活性成分上或堵塞毛细孔。烟气中的As2O3气体还很容易与氧气以及催化剂中的活性成分五氧化二钒发生反应，在催化剂表面形成五氧化二砷，导致催化剂活性成分被破坏。对于砷中毒，普遍采用向炉膛内添加1%～2%的石灰石，石灰石中的CaO与气态As2O3反应生成不会使催化剂中毒的固态CaAsO4。
2.5 催化剂的结构类型
目前市场上的催化剂主要有三种：蜂窝式、板式、波纹式。蜂窝式催化剂市场占有率接近75%，平板式20%，波纹式主要应用于燃气机组。蜂窝式催化剂为均质催化劑，以TiO2、V2O5、WO3为主要成分，通体由具有催化活性的材料组成。平板式催化剂以金属板网为骨架，Ti-Mo-V为主要活性材料，采取双侧挤压的方式将活性材料与金属板结合成型，为非均质催化剂。波纹板式催化剂结合了蜂窝式和板式催化剂的特点，采用加固的玻璃纤维作为基板，较金属板式催化剂或蜂窝式催化剂要轻许多。表1列出了三种类型催化剂的性能比较。 2.6 氨氮摩尔比n（NH3）/n（NOX）与停留时间
文献6采用Fluent模拟了脱硝效率与停留时间及氨氮摩尔比的关系，如图7，试验结果和CFD模拟结果基本吻合，脱硝效率随着停留时间的增加而增加，氨氮摩尔比在0.6～1.0之间时，脱硝效率随着氨氮摩尔比的增加而明显增加；氨氮摩尔比大于1.0时，脱硝效率趋于平衡。
图8为在氨氮摩尔比为1∶1及反应温度为400℃试验条件下，停留时间为0.19～0.86s内脱硝效率与停留时间的关系。由图可见，停留时间小于0.4s时随着停留时间的增加脱硝效率显著增加，停留时间大于0.4s时脱硝效率随停留时间的增加比较平缓，趋于平衡。
2.7 NH3/NOX的混合效果
氨气在烟道中與烟气的混合效果是选择性催化反应顺利进行的先决条件，如果氨气与烟气未能充分混合，要达到设计的脱硝效率会导致催化剂的用量及氨的逃逸率增加。一般可通过如下方法增加氨氮混合效果：（1）提高注氨格栅喷射点的密度；（2）烟道内设置静态混合器；（3）改进烟道形状、在烟气转向处安装导流板；（4）通过数值模拟优化设计，调整开孔位置及大小；（5）采用可调节喷射量的喷枪，根据NOX浓度分布调节每一个喷嘴的喷氨量。
3 结语
随着我国对NOX排放浓度的新政策的出台，SCR法脱硝技术已经被国内大型燃煤电站成功运用。SCR烟气脱硝系统的脱硝效率与锅炉设计、燃用煤种、AIG设计及运行调整，特别是催化剂的配方选型密切相关。为了确保脱硝系统的安全稳定及NOX排放达标，必须要选择合理的设计参数及反应器均流结构，严格控制反应温度，加强催化剂吹灰及锅炉燃烧调整。
参考文献
[1] 陈进生.火电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法
[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 沈伯雄，刘亭，韩永富.选择性非催化还原脱除氮氧
化物的影响因素分析[J].中国电机工程学报，2008，
28（23）：53.
[3] 史志杰，李海波，等.河北大唐国际丰润热电有限责
任公司#1、#2机组（2×300MW）烟气脱硝改造工程
可行性研究报告[R].2012.
[4] 邹斯诣.选择性催化还原（SCR）脱硝技术应用问题
及对策[J].节能技术，2009，（11）.
[5] 鲁佳易，卢啸风，刘汉周，陈继辉.SCR法烟气脱硝
催化剂及其应用特性的探讨[J].电站系统工程，
2008，（1）：24.
[6] 杜云贵，吴其荣，邓佳佳，李芳.SCR烟气脱硝催化
剂的化学动力学模拟研究[J].热力发电，2010，
（39）.
作者简介：张卫宝，男，河北大唐国际丰润热电有限责任公司副总经理，高级工程师，研究方向：电业行业管理；王广慧（1978—），女，河北人，供职于河北大唐国际丰润热电有限责任公司，硕士。
关键词：SCR；脱硝效率；烟气处理
中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）30-0084-03
大型电站锅炉在进行煤粉燃烧时会产生大量的氮氧化物，其主要成分是一氧化氮、二氧化氮和氧化二氮。这些氮氧化物对人体健康造成直接危害，同时会参与形成光化学烟雾、酸雨、造成严重的环境污染。氧化二氮还是一种温室气体并会破坏大气臭氧层。目前燃煤电站的NOX控制途径主要包括低NOX燃烧技术和烟气脱硝技术。其中低NOX燃烧技术包括低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧和烟气再循环技术。空气分级燃烧技术被广泛应用，其中有德国的WS型、DS型、SM型燃烧器，美国的DRB型燃烧器，日本的PM型燃烧器。烟气脱硝技术主要包括选择性催化还原（SCR）和选择性非催化还原（SNCR）。选择性非催化还原技术由于具有脱硝效率低、反应温度范围狭窄、二次污染、腐蚀设备、控制较难等局限性未能得到广泛的工业应用，只适合中小型电厂锅炉改造。选择性催化还原技术以其脱硝效率高（可达90%）、技术成熟、无二次污染等优势在国内外得到广泛应用。随着国家最新环保标准（GB 13223-2011）的出台，为了达到最新NOX排放要求，大批国内现有火电机组都进行了脱硝改造，绝大部分采用了低氮燃烧技术配合选择性催化还原（SCR）技术。
1 选择性催化还原法（SCR）脱硝原理
SCR脱硝原理如图1所示：向催化剂上游的烟气中喷入氨气或其他还原剂，在催化剂的作用下烟气中的NOx被氨还原为氮气和水。通常选用的还原剂为液氨、氨水、尿素，无论以何种形式使用氨，均要使氨和烟气混合，利用喷氨格栅将其喷入SCR反应器上游的烟气中。
NO被还原的反应方程式：
NO2被还原的反应方程式如下：
2 影响SCR脱硝效率的主要因素
影响SCR系统脱硝效率的主要因素包括烟气流量、烟气温度、入口NOX浓度、飞灰特性、催化剂的结构类型、氨氮摩尔比（NH3/NOX）、停留时间、NH3/NOX的混合效果等。
2.1 烟气流量
图2为丰润热电1号机组（300MW）脱硝效率与烟气流量的关系曲线，从图2中可以看出，在其他反应条件不变的条件下，随着SCR反应器入口烟气量的增大，NOX的脱除率逐渐降低。这表明，催化剂体积与其处理烟气量的能力有着直接关系，烟气量超过设计值会导致脱硝效率明显下降。
2.2 烟气温度
采用V2O5/TiO2作催化剂时，烟气温度对脱硝效率有较大的影响，图3为催化剂厂家提供的烟气温度与脱硝效率的关系曲线。在340℃～400℃内，随着烟气温度的升高，催化剂的反应活性增加，脱硝效率逐渐增加，400℃时脱硝效率达到最大值80%。烟温大于400℃时，随着烟温的升高脱硝效率反而降低。这是由于以下两个原因造成的：（1）烟温太高导致催化剂烧结使催化剂失活，而且催化剂的烧结过程是不可逆的。一般在烟气温度高于400℃时，烧结就开始发生。V2O5-WO3-TiO2系催化剂在烟气脱硝中，载体TiO2晶型为锐钛型，烧结后会转变成金红石型，从而导致晶体粒径成倍增大，催化剂的微孔数量锐减，催化剂活性位数量锐减；（2）当温度超过399℃时，氨被氧化为氮氧
化物。
2.3 烟气NOX浓度
丰润热电2号机组脱硝效率与进口NOX浓度的关系如图4所示。从图4中可以看出，在保持供氨量及烟气量不变的工况下，脱硝效率随着SCR进口NOX浓度的增加而降低。当SCR进口NOX浓度小于400mg/NM3（设计值）时，脱硝效率大于设计值80%；当SCR进口NOX浓度大于400mg/NM3时，脱硝效率明显降低，这表明在NOX浓度超过设计值的情况下控制NOX浓度达到排放要求难度很大，这就需要设计时留出足够的余量。
2.4 烟气成分
烟气中的飞灰造成催化剂机械磨损：SCR反应器中的催化剂垂直布置，烟气自反应器顶部垂直向下平行催化剂流动，在较大空速下，烟气中的大颗灰粒对催化剂造成较大磨损。其磨损程度主要受燃煤灰分的大小、灰粒的物理特性、催化剂孔道的烟速及催化剂的积灰情况等影响。当燃料确定后催化剂的磨损与通过催化剂孔道的烟速立方成正比。图5为某电厂催化剂堵灰造成局部烟气流速增加导致催化剂的大面积磨损、脱硝效率下降及氨逃逸率增加。
烟气中的CaO、碱金属及As2O3造成催化剂中毒，即钙化物中毒、碱金属中毒和砷中毒。（1）飞灰中的CaO与SO3反应，被催化剂表面所吸附形成CaSO4，CaSO4膜覆盖在催化剂表面从而影响NOx与NH3的接触反应；（2）飞灰中的碱金属（最主要的为Na和K）能够与催化剂的活性成分直接发生反应，减少了催化剂的有效活性位，致使催化剂失活。碱金属在水溶下的活性很强，将完全渗透进入催化剂材料中，因此避免水蒸气在催化剂表面凝结，可有效避免此类情况发生；（3）烟气中As2O3随粉尘在催化剂上凝结，覆盖在活性成分上或堵塞毛细孔。烟气中的As2O3气体还很容易与氧气以及催化剂中的活性成分五氧化二钒发生反应，在催化剂表面形成五氧化二砷，导致催化剂活性成分被破坏。对于砷中毒，普遍采用向炉膛内添加1%～2%的石灰石，石灰石中的CaO与气态As2O3反应生成不会使催化剂中毒的固态CaAsO4。
2.5 催化剂的结构类型
目前市场上的催化剂主要有三种：蜂窝式、板式、波纹式。蜂窝式催化剂市场占有率接近75%，平板式20%，波纹式主要应用于燃气机组。蜂窝式催化剂为均质催化劑，以TiO2、V2O5、WO3为主要成分，通体由具有催化活性的材料组成。平板式催化剂以金属板网为骨架，Ti-Mo-V为主要活性材料，采取双侧挤压的方式将活性材料与金属板结合成型，为非均质催化剂。波纹板式催化剂结合了蜂窝式和板式催化剂的特点，采用加固的玻璃纤维作为基板，较金属板式催化剂或蜂窝式催化剂要轻许多。表1列出了三种类型催化剂的性能比较。 2.6 氨氮摩尔比n（NH3）/n（NOX）与停留时间
文献6采用Fluent模拟了脱硝效率与停留时间及氨氮摩尔比的关系，如图7，试验结果和CFD模拟结果基本吻合，脱硝效率随着停留时间的增加而增加，氨氮摩尔比在0.6～1.0之间时，脱硝效率随着氨氮摩尔比的增加而明显增加；氨氮摩尔比大于1.0时，脱硝效率趋于平衡。
图8为在氨氮摩尔比为1∶1及反应温度为400℃试验条件下，停留时间为0.19～0.86s内脱硝效率与停留时间的关系。由图可见，停留时间小于0.4s时随着停留时间的增加脱硝效率显著增加，停留时间大于0.4s时脱硝效率随停留时间的增加比较平缓，趋于平衡。
2.7 NH3/NOX的混合效果
氨气在烟道中與烟气的混合效果是选择性催化反应顺利进行的先决条件，如果氨气与烟气未能充分混合，要达到设计的脱硝效率会导致催化剂的用量及氨的逃逸率增加。一般可通过如下方法增加氨氮混合效果：（1）提高注氨格栅喷射点的密度；（2）烟道内设置静态混合器；（3）改进烟道形状、在烟气转向处安装导流板；（4）通过数值模拟优化设计，调整开孔位置及大小；（5）采用可调节喷射量的喷枪，根据NOX浓度分布调节每一个喷嘴的喷氨量。
3 结语
随着我国对NOX排放浓度的新政策的出台，SCR法脱硝技术已经被国内大型燃煤电站成功运用。SCR烟气脱硝系统的脱硝效率与锅炉设计、燃用煤种、AIG设计及运行调整，特别是催化剂的配方选型密切相关。为了确保脱硝系统的安全稳定及NOX排放达标，必须要选择合理的设计参数及反应器均流结构，严格控制反应温度，加强催化剂吹灰及锅炉燃烧调整。
参考文献
[1] 陈进生.火电厂烟气脱硝技术-选择性催化还原法
[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 沈伯雄，刘亭，韩永富.选择性非催化还原脱除氮氧
化物的影响因素分析[J].中国电机工程学报，2008，
28（23）：53.
[3] 史志杰，李海波，等.河北大唐国际丰润热电有限责
任公司#1、#2机组（2×300MW）烟气脱硝改造工程
可行性研究报告[R].2012.
[4] 邹斯诣.选择性催化还原（SCR）脱硝技术应用问题
及对策[J].节能技术，2009，（11）.
[5] 鲁佳易，卢啸风，刘汉周，陈继辉.SCR法烟气脱硝
催化剂及其应用特性的探讨[J].电站系统工程，
2008，（1）：24.
[6] 杜云贵，吴其荣，邓佳佳，李芳.SCR烟气脱硝催化
剂的化学动力学模拟研究[J].热力发电，2010，
（39）.
作者简介：张卫宝，男，河北大唐国际丰润热电有限责任公司副总经理，高级工程师，研究方向：电业行业管理；王广慧（1978—），女，河北人，供职于河北大唐国际丰润热电有限责任公司，硕士。