脱硝系统及其脱硝效率影响因素研究

陈雅鑫

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摘要：世界上许多国家对于NOx的排放指标要求较高，烟气脱硝能有效的降低NOx的排放，其中选择性催化还原法（SCR）技术能达到90%以上的脱除率。SCR技术具有运行可靠等特点，能够满足环保的严格要求，成为燃煤电厂控制氮氧化物的主要手段之一。本文针对脱硝系统及其脱硝效率影响因素进行了分析。

关键词：SCR；烟气脱硝；实验；分析；脱硝效率

引言：

脱硝装置采用选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，简称：SCR）法全烟气脱硝是依据选择性催化还原的原理将烟气中的氮氧化物（NOx）脱除的一种技术方法。在20世纪70年代日本运用此项技术实现了商业化。

1、SCR脱硝原理

SCR脱硝反应温度在320～410℃之间，催化剂必须存在的情况下，SCR烟气脱硝过程的主要反应方程式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H20（1-1）

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O（1-2）

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O（1-3）

其中，方程式（1-1）和（1-3）是主要的反应过程，因为烟气中的大部分氮氧化物是以NO形式存在，在化学反应中，NH3选择性的和氮氧化物反应生成没有危害的N2和H2O随烟气排放。

2、SCR脱硝系统构成

脱硝装置反应器布置于锅炉高温空预器出口与低温省煤器入口之间，为高粉尘布置。其系统主要分为SCR反应器系统、烟道系统、氨流量控制系统、吹灰系统、NOx监视系统。

2.1SCR反应器系统

脱硝系统采用垂直布置的反应器，反应器的截面为9750×5050，高10.6m（直段）。在反应器中设计了三层催化剂安装空间，首次安装了两层催化剂，由于超低排放要求，备用层已投入生产和使用。

催化剂模块通过安装在反应器顶部的提升电动葫芦提升到反应器的所需平台，各层催化剂层留有预留门，通过预留们放入反应器框架内，反应器中催化剂位置的调整主要通过电动葫芦和手推车来进行。

在三层催化剂上方都安装了一套声波吹灰器，它能使催化剂保持清洁。人孔门布置在SCR反应器烟道两侧，方便检修人员定期进行催化剂检查。在SCR反应器中，可以测量催化剂层间的压力差，并同时传送给电厂操作人员的监视画面上。SCR反应器出口烟道结构空间受限，不设置灰斗。

2.2烟道系统

烟道主要用于连接高温空预器的出口和反应器的入口，反应器出口连接到低温端空预器入口。脱硝第三层催化剂下层出口布置低温省煤器。

（1）烟气流动分布

烟气系统设计单位设计了导流板，用于降低烟道流动阻力，降低压差，维持系统正常运行。

（2）喷氨格栅

喷氨格栅（简称AIG），每台锅炉由20根管道，采用4排布置。氨气和空气混合气体通过AIG管道和喷嘴喷入烟道中。喷氨量可由支管调整门调整。

（3）测量仪表

采用远程分析表来监测SCR脱硝装置烟道入口的氮氧化物和氧含量，运行人员通过DCS显示的数据及时调整脱硝系统运行状况，确保设备安全、高效、稳定运行。在脱硝反应器入口烟道和出口处设置3个热电偶，对进出口烟气温度进行监测。

2.3氨流量控制系统

氨气流量根据锅炉的负荷变化而变化，通过锅炉负荷计算出NH3/NOx摩尔比作为调节氨喷射量的参考值。为了提高系统的安全性和稳定性，氨喷射系统应设置以下连锁：

（1）引风机运行状态；

（2）稀释风机运转参数及排风量；

（3）入口烟气温度；

（4）锅炉运行状态（MFT）；

（5）锅炉负荷。

2.4吹灰系统

每层催化剂上方均安装两套声波吹灰器。声波吹灰器以压缩空气为介质，用于清除催化剂表面的积灰，减少催化剂的堵塞。三层声波吹灰器的吹灰顺序可在DCS中设置，也可单独操作吹灰器的启停。每台锅炉独立运行。锅炉启动时,操作人员开启自动吹灰模式.锅炉停止运行时,声波吹灰系统停止运行。

2.5NOx监视系统

在反应器进、出口各设置一套NOx监测系统，对烟气中的NOx含量，并将NOx质量参数发送给数据处理系统，用于调节氨喷射量。

3、SCR烟气脱硝效率和催化剂活性的主要影响因素

在燃煤电厂的实际运行中，影响SCR脱硝系统运行特性的主要参数是接触时间、反应温度、氨逃逸率、NH3/NOx摩尔比、NH3/NOx的混和效果、催化剂性能和锅炉负荷。

3.1接触时间

在310℃下和NH3/NOx摩尔比等于1的条件下，反应气与催化剂的接触时间（t=Q/V）对NOx脱除率随t的增加而迅速增加，t增至200ms左右时，达到最大值，随后下降。这是因为反应气体与催化剂之间的接触时间增大，有利于催化反应的进行，从而使NOx脱除率提高。经过分析可知最佳接触时间为200ms。

3.2反应温度

当烟气温度较低时，催化剂的活性较低，反应效率较低，喷入的氨气将会与烟气中硫化物反应生成硫酸铵，附着在催化剂表面；当烟气温度高时，氨气会和氧气发生反应，导致烟气中氮氧化物增加，从而抵消脱硝效果，目前的SCR

脱硝系统大多设定在320-420℃之间。

3.3氨逃逸率

过高的喷氨量不仅会增加成本，还会造成空气预热器换热面的腐蚀和粉煤灰的污染。由于多余的氨与烟气中的三氧化硫反应生成硫酸氢铵，当烟温降低时，硫酸氢铵就会附着在空气预热器表面、飞灰颗粒管板和静电除尘布袋上，并腐蚀除尘布袋。

3.4 NH3/NOx摩尔比

从理论上将，1mol氮氧化物需要1mol氨气去除，氨气量不足会影响脱硝效率，但过量的氨气又会造成二次污染和设备腐蚀，通常喷入的氨气量与机组负荷相协调。一般根据NOx与NH3的摩尔比来控制脱硝装置的脱硝效率。在SCR运行控制中，一般要求NH3/NOx摩尔比在1.2以下。

3.5 NH3/NOx的混合效果

NH3/NOx的混合效果对脱硝效率影响较大。如果NH3与烟气混合不均匀，即使氨的输入量不是很大，氨气与氮氧化物也不能完全反应，不仅不能降低氮氧化物，而且还会增加氨的泄漏。在保证氨气质量分布均匀，并且流动方向合理时，NOx转化率较高，氨逃逸率降低，催化剂寿命能够得到保证。合理的安装喷氨格栅，同时氨和烟气能够在足够长的烟道内进行混合，这是氨和烟气均匀混合的有效保证，从而够避了氨和烟气混合不均匀所造成的许多问题。

3.6催化剂性能

不同类型的催化剂具有不同的活性和物理性能，决定了其不同的结构和表面积。一般来说，催化剂的表面积越大，结构越简单，越有助于催化剂的分布和加速反应器内反应物的反应。在反应器尺寸一定、氨氮摩尔比一定的条件下，催化剂活性越大，降低氮氧化物生成量的可能性就越大，SCR反应器中填装的催化剂的活性成份一般有V2O3、WO3、MoO3等。

3.7锅炉负荷

锅炉负荷的变化对SCR系统的影响主要体现在两方面，一方面体现在喷氨量上，当锅炉负荷增加时，SCR入口NOx含量也随之增加，为了保持NH3与NOx的脱硝效率，必须适当增加氨喷量；另一方面，锅炉负荷变化时，烟气温度的变化对催化剂的活性和反应速度也会受到影响。

4、结语

脱硝装置的有效运行能大大降低氮氧化物的排放，同时对提升企业的社会责任都具有积极的作用。通过对SCR烟气脱硝技术的概述，可以有效地为SCR技术的研究和实践应用提升。

参考文献

[1]王福军．计算流体动力学分析[M]．北京：清华大学出版社，2004

[2]蒋文举烟气脱硫脱硝技术手册(第二版)[M]北京：化学工业出版社，2012