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选择性催化还原法(SCR)的原理和分类

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三类催化剂中,负载贵金属的催化剂是SCR 工艺初期和现在机动车尾气所主要采用的催化剂,其突出的优点是催化剂稳定性和抗毒性好,低温活性较好……

我国的能源结构是以煤炭为主的,煤炭消耗量还将持续增长。据统计,目前我国发电装机容量中火电装机容量占 74%以上,在未来的很长一段时间里,燃煤所造成的氮氧化物污染是继二氧化硫污染之后的又一重要的环境问题。同时于2004 年1 月实施的《火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2003)》对第三时段的电站锅炉氮氧化物最高允许排放浓度降低到了450~1 100 mg/m3。随着经济和社会的发展,氮氧化物的控制标准将逐渐严格。

目前,针对固定源NOx 控制技术主要有两类:一类为燃烧过程控制技术,其特点是控制燃烧过程中NOx 的生成,包括炉型和设计参数的选择、运行调整和低NOx 燃烧技术,以此来控制燃烧过程中燃料型、热力型和快速型三种机理的氮氧化物;另一类为燃烧后控制技术,即各种烟气de-NOx 技术,其特点是将烟气中已生成的NOx 固定下来或还原为 N2。炉内氮氧化物控制技术一般以降低锅炉热力效率为代价,其脱硝效率也不高,而炉后的烟气脱硝技术中的选择性催化还原法(SCR),效率高,对锅炉原有设备改造不大,是一种比较有潜力的脱硝技术。

1 SCR 原理及其分类

1.1 SCR 的基本原理

SCR 是利用适当的催化剂,在一定的温度下,以氨等作为还原气体,利用还原剂的选择性,优先与氮氧化物发生反应,将它还原成氮气和水。”选择性”是指氨等还原剂在催化剂作用下有选择地进行还原反应,这里主要选择还原NOx。

1.2 SCR 工艺的分类

SCR 的分类一般有3 种:其一是按照SCR 所使用的催化剂种类而分;其二是依据SCR 反应器内填装的催化剂所适用的烟气温度条件不同进行分类;第三种是依据SCR 装置所布设的位置进行分类。按照催化剂进行划分,主要依据的是组成SCR 工艺的主体部分催化剂的催化成份和载体类别进行分类,SCR 工艺可以分为:负载贵金属催化剂、金属氧化物催化剂和其它高活性载体催化剂。

三类催化剂中,负载贵金属的催化剂是SCR 工艺初期和现在机动车尾气所主要采用的催化剂,其突出的优点是催化剂稳定性和抗毒性好,低温活性较好;但选择性相对来说不是很好,造成脱硝过程中N2O 生成量较多,造成实际脱硝效率下降。过渡金属氧化物催化剂是目前应用较为广泛的一类催化剂,尤其是在电厂和工业锅炉的烟气治理过程中应用更多,其优点是具有价格合理,较高的选择性和热稳定性;但是烟气存在的二氧化硫等物质仍然可以降低催化剂的活性和使用寿命。同时正在开发一些催化剂,包括应用于高温SCR 中的分子筛和应用于低温SCR 的活性炭纤维载体及催化剂。

按照催化剂适用的烟气温度条件分类,一般按照不同的温度使用窗口可以将SCR 工艺分为:高温、中温、低温三种不同的SCR 工艺。高温SCR 一般指的是催化剂的适用温度在450~600 ℃及以上,中温SCR 是指催化剂的适用温度在320~450 ℃,而低温SCR是指催化剂的适用温度在120~ 300 ℃。目前商业上应用比较广泛的是运行温度处于320~ 450 ℃的中温催化剂,该催化剂以TiO2 为载体,上面负载钒、钨和钼等主催化剂或助催化剂。

按照 SCR 装置所布设的位置不同进行分类,SCR 工艺可以划分为高灰段、低灰段和尾部布置三种类型。安装于空预器和ESP(电除尘)前、空预器前但高温ESP 后、FGD 之后三种形式(见图1)。高灰分工艺要求催化剂适用于中温条件,有较强的抗阻塞能力,有较强的抗碱金属毒性、抗SO2 毒性等。低灰份催化剂适用中温条件,仍然要求具有抗 SO2 毒性。尾部布置虽然使催化剂免受高粉尘和SO2 的毒害 [1,2],但中温的催化剂需要再热而浪费大量能耗。研究和开发具有低温特性的SCR 显然具有十分重要的意义。

1.3 SCR 工艺应用状况

从近几年的应用趋势可以看出SCR工艺正在被不断地应用于电厂的烟气脱硝。到目前为止,全世界应用SCR烟气处理技术的电站燃煤锅炉容量已经超过178.1 GW。过去德国和日本在SCR工艺应用方面一直走在世界的前列,日本安装有SCR装置的机组容量约有23.1 GW,欧洲安装有SCR装置的机组容量约有55 GW;美国最近几年的发展也较为迅速,安装有SCR装置的机组容量已经在近几年超过100 GW。

中国漳州后石电厂 6×600 MW燃煤机组同步安装SCR 脱氮装置已经投入商业运行。但是近几年随着NOx 排放标准不断提高,中国的烟气脱硝正迅速发展起来,在建SCR 项目有江苏徐州阚山发电厂、浙江宁海电厂、广东台山电厂、厦门嵩屿电厂等,近期拟建烟气SCR 脱硝装置的有国华北京第一热电厂、大唐北京高井发电厂等项目。可以看出SCR 工艺在中国也正在被普遍接受。但目前,国内应用形式是中温的SCR 工艺,并且是以引进技术占主流。催化剂的使用寿命大多小于五年,催化剂的更换在日常运行投资中占有很重要的比例;中温催化剂的尾部布置虽然极大地延长了催化剂使用寿命,但是二次能耗又进一步增加了运行成本。国内应该开发具有自主知识产权的低温SCR 工艺。