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選擇性催化還原廢氣脫硝技術及應用

廢氣脫硝是目前發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(Selectivecatalyticreduction,簡稱SCR)、選擇性非催化還原法(Selectivenon-catalyticreduction,以下簡稱SNCR)。SCR的脫硝率可達90%以上。SCR的發明權屬于美國,而日本率先于20世紀70年代實現其商業化應用。目前該技術在發達國家已經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300套。德國于20世紀80年代引進該技術,并規定發電量50MW以上的電廠都得配備SCR裝置。臺灣有100套以上的SCR裝置在運行。大慶石化總廠化肥廠、川化集團公司、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了SCR裝置。

1技術原理
 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)
 通過使用適當的催化劑,上述反應可以在200~450℃的范圍內有效進行。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。液氨由槽車運送到液氨儲罐,液氨儲槽輸出的液氨在蒸發器內蒸發為氨氣,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調壓閥減壓后,通過噴氨格柵的噴嘴噴入廢氣中與廢氣混合,再經靜態混合器充分混合后進入催化反應器。當廢氣溫度低時,預熱系統用來加熱廢氣。達到反應溫度且與氨氣充分混合的廢氣流經SCR反應器的催化層時,氨氣與Nox發生催化氧化還原反應,將Nox還原為無害的N2和H2O。

3運行控制
 3.1催化劑的活性
 催化劑是SCR技術的核心,其形狀一般為板式或蜂窩式。由于蜂窩式催化劑優良的耐久性、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:150mm×150mm;長度400mm~1000mm。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失活。典型的SCR催化劑化學失活主要是堿金屬(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反應器的優化設計(設置自動的導流葉片裝置,倒轉氨的噴射方向使之與流動方向相反)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,在催化劑上會發生副反應,NH3與SO3和H2O反應生成(NH4)2SO4或NH4HSO4,減少與Nox的反應,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,如果反應溫度高于催化劑的適用溫度,催化劑通道和微孔發生變形,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,通過設定NH3和Nox的摩爾比來控制。催化劑的活性不同,達到相同轉化率所需要的NH3/Nox摩爾比不同。各種催化劑都有一定的NH3/Nox摩爾比范圍,當摩爾比是較小時,NH3和Nox的反應不完全,Nox的轉化率低;當摩爾比超過一定范圍時,Nox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Nox也不能充分反應,不僅不能到達有效脫硝的目的,還會增加Nox的泄漏量。當速度分布均勻,流動方向調整得當時,Nox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和廢氣提供足夠長的混合通道,是使NH3和廢氣均勻混合的有效措施。
 3.4NOx的在線監測
 由于噴氨量及Nox排放濃度均根據Nox在線監測儀表的指示值來控制,因此Nox在線監測儀表的準確性至關重要,直接關系到催化脫硝裝置的運行效益、Nox的排放濃度、液氨泄漏量等指標的高低。為此,Nox在線監測儀表需要設置專業人員進行維護、保養、校驗與檢修。

4工業應用
 SCR廢氣脫硝技術在工業鍋爐、燃氣/燃油鍋爐、柴油機、垃圾焚燒爐、工業窯爐、化工廠等煙氣脫銷處理中都得到成功應用。
 某電廠燃煤煙氣SCR法處理裝置的工藝設計參數見表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1SCR法處理燃煤煙氣裝置工藝設計參數

某化工廠用SCR法處理硝酸尾氣裝置的工藝設計參數見表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,環境與社會效益顯著。
 表2SCR法處理硝酸尾氣裝置工藝設計數

5結語
 SCR法是一項可靠有效的廢氣脫硝技術。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,專業研究機構少也是一個重要原因。脫硝催化劑的研究開發是SCR法應用的關鍵,希望從事催化劑研究的單位能夠盡快開發出性能優良、符合我國國情的脫硝催化劑。天華化工機械及自動化研究設計院瑞瑪公司是一個研究開發廢氣凈化技術和裝備的專業公司,目前為某公司年產2500t的鎳鈷粉體材料生產線設計制造的SCR裝置正在安裝調試。該示范工程的建立,希望能夠促進SCR技術在我國的推廣應用。


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