廢氣脫硝技術(shù)應用

廢氣脫硝是目前發(fā)達國家普遍采用的減少NOx排放的方法，應用較多的有選擇性催化還原法（Selective catalytic reduction，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）、選擇性非催化還原法（Selective non-catalytic reduction，以下簡(jiǎn)稱(chēng)SNCR）。SCR的脫硝率可達90%以上。SCR的發(fā)明權屬于美國，而日本率先于20世紀70年代實(shí)現其商業(yè)化應用。目前該技術(shù)在發(fā)達國家已經(jīng)得到了比較廣泛的應用。日本有93%以上的廢氣脫硝采用SCR，運行裝置超過(guò)300套。德國于20世紀80年代引進(jìn)該技術(shù)，并規定發(fā)電量50 MW以上的電廠(chǎng)都得配備SCR裝置。臺灣有100套以上的SCR裝置在運行。大慶石化總廠(chǎng)化肥廠(chǎng)、川化集團公司、北京燕山石化公司合成橡膠廠(chǎng)和福建漳州電廠(chǎng)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：
4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O           （1）
8NH3+6NO2 =7N2+12H2O            （2）
通過(guò)使用適當的催化劑，上述反應可以在200~450℃的范圍內有效進(jìn)行。在NH3/NOx為1（摩爾比）的條件下，可以得到80%~90%的脫硝率。在反應過(guò)程中，NH3有選擇性地和NOx反應生成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，主要由氨氣供應系統、氨氣控制系統、催化劑、排氣系統、預熱系統和反應器等組成。液氨由槽車(chē)運送到液氨儲罐，液氨儲槽輸出的液氨在蒸發(fā)器內蒸發(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)調壓閥減壓后，通過(guò)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)入催化反應器。當廢氣溫度低時(shí)，預熱系統用來(lái)加熱廢氣。達到反應溫度且與氨氣充分混合的廢氣流經(jīng)SCR反應器的催化層時(shí)，氨氣與NOx發(fā)生催化氧化還原反應，將NOx還原為無(wú)害的N2和H2O。

3 運行控制

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(cháng)度400 mm~1000 mm。SCR裝置的運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合引起的。催化劑物理失活主要是指高溫燒結、磨損和固體顆粒沉積堵塞而引起催化劑活性破壞。

SCR系統所出現的磨損和堵塞可以通過(guò)反應器的優(yōu)化設計（設置自動(dòng)的導流葉片裝置，倒轉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)行預處理，比如采用靜電除塵、加入脫砷劑等，去除催化劑毒物級固體顆粒物，避免催化劑中毒。

3.2   反應溫度

不同的催化劑具有不同的適用溫度范圍。當反應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， NH₃與SO₃和H₂O反應生成（NH₄）₂SO₄或NH₄HSO₄，減少與NO_x 的反應，生成物附著(zhù)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的用量一般根據期望達到的脫硝效率，通過(guò)設定NH₃和NOx的摩爾比來(lái)控制。催化劑的活性不同，達到相同轉化率所需要的NH₃/NO_x摩爾比不同。各種催化劑都有一定的NH₃/NO_x摩爾比范圍，當摩爾比是較小時(shí)，NH₃和NO_x的反應不完全，NO_x的轉化率低；當摩爾比超過(guò)一定范圍時(shí)，NO_x的轉化率不再增加，造成還原劑NH₃的浪費，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NO_x也不能充分反應，不僅不能到達有效脫硝的目的，還會(huì )增加NO_x的泄漏量。當速度分布均勻，流動(dòng)方向調整得當時(shí)，NO_x轉化率、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(cháng)的混合通道，是使NH₃和廢氣均勻混合的有效措施。

3.4   NO_x的在線(xiàn)監測

由于噴氨量及NO_x排放濃度均根據NO_x在線(xiàn)監測儀表的指示值來(lái)控制，因此NO_x在線(xiàn)監測儀表的準確性至關(guān)重要，直接關(guān)系到催化脫硝裝置的運行效益、NO_x的排放濃度、液氨泄漏量等指標的高低。為此，NO_x在線(xiàn)監測儀表需要設置專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行維護、保養、校驗與檢修。

4        工業(yè)應用

SCR廢氣脫硝技術(shù)在工業(yè)鍋爐、燃氣/燃油鍋爐、柴油機、垃圾焚燒爐、工業(yè)窯爐、化工廠(chǎng)等煙氣脫銷(xiāo)處理中都得到成功應用。

某電廠(chǎng)燃煤煙氣SCR法處理裝置的工藝設計參數見(jiàn)表1。該裝置1999年投運至今，運行狀況良好，各項指標完全達到設計性能要求。

表1  SCR法處理燃煤煙氣裝置工藝設計參數

某化工廠(chǎng)用SCR法處理硝酸尾氣裝置的工藝設計參數見(jiàn)表2。該裝置1993年投入運行，脫硝效率達到93%以上，凈化尾氣達到排放標準，環(huán)境與社會(huì )效益顯著(zhù)。

表2  SCR法處理硝酸尾氣裝置工藝設計數

5 結語(yǔ)

    SCR法是一項可靠有效的廢氣脫硝技術(shù)。目前，該法在我國大陸的應用還較少，除了SCR裝置投資較高外，專(zhuān)業(yè)研究機構少也是一個(gè)重要原因。脫硝催化劑的研究開(kāi)發(fā)是SCR法應用的關(guān)鍵，希望從事催化劑研究的單位能夠盡快開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良、符合我國國情的脫硝催化劑。天華化工機械及自動(dòng)化研究設計院瑞瑪公司是一個(gè)研究開(kāi)發(fā)廢氣凈化技術(shù)和裝備的專(zhuān)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(xiàn)設計制造的SCR裝置正在安裝調試。該示范工程的建立，希望能夠促進(jìn)SCR技術(shù)在我國的推廣應用。