SCR 反應器布置位置對燃煤鍋爐脫硝效率的影響

李浩陽 任建興 李芳芹 周虎飛

（上海電力大學能源與機械工程學院 上海 201306）

火電廠排放的氮氧化物（NOx）對環(huán)境和人體健康危害很大，世界上煤電機組控制NOx排放的主要方式是安裝選擇性催化還原（SCR）脫硝系統(tǒng)。SCR 脫硝效率為70%～95%，影響效率的因素有很多，最基礎的是SCR 的布置問題。

1 火電廠控制NOx 排放

火電廠污染排放是指火電廠機組在運行過程中各種排放物過量排放對環(huán)境的影響。污染物排放主要源于化石燃料的燃燒，主要有煙塵、SO2和NOx。在節(jié)能減排的政策下，煤電超低排放機組改造建造截至2021 年底占總裝機量的90%［1］。隨著排放標準的越來越嚴格和各種新型節(jié)能減排技術的應用，污染物排放量也在逐年下降，但是NOx的排放治理相對比較緩慢，下降幅度比較小。

煤電機組燃料也就是煤燃燒產(chǎn)生的氮是鍋爐運行過程中NOx的主要來源，占機組NOx排放總量的80%，減少這類NOx生成的方法有：使用低氮燃燒器、防止燃燒區(qū)受熱不均、縮短煙氣在燃燒區(qū)的停留時間、選用含氮量少的煤等［2］。

煤燃燒產(chǎn)生NOx是不可避免的，在燃燒側(cè)的降氮手段效率不高，需要配合燃燒后的煙氣脫硝手段?；鹆Πl(fā)電廠達到超低排放的方式主要為：安裝SCR 反應器處理尾部煙氣中NOx的排放和爐膛前端配備低NOx燃燒器技術［2］。其中SCR 技術不同布置方式中存在的問題有：高溫高灰布置中催化劑的磨損、堵塞和中毒導致氨逃逸量增加，脫硝效率降低和堵塞空預器；高溫低灰布置中的飛灰顆粒粘結(jié)和高溫除塵器的應用；低溫低塵布置中的低溫催化劑效率低而且投資、運行成本高。

2 SCR 脫硝原理及系統(tǒng)流程

SCR 脫硝是目前最成熟也是應用最多的煙氣脫硝凈化技術，是一種尾部煙氣脫硝方法。原理是利用尿素或氨水生成NH3，將NH3與空氣混合形成NH3體積含量為5%的混合氣體作為還原劑，在金屬催化劑作用下，選擇性地與煙氣中的NOx反應生成對環(huán)境沒有影響的N2和H2O，反應器中的主要反應過程見式（1）～（3）。

煙氣中的NOx在催化劑中的流程為：①煙氣中的NOx隨著混合NH3擴散到催化劑外表面；②NOx與混合NH3從外表面滲入到內(nèi)表面；③NOx與混合NH3吸附到內(nèi)部催化劑反應中心；④在反應中心NOx被NH3催化還原成N2和H2O；⑤N2和H2O 在催化劑反應中心脫附，隨煙氣流場流出SCR 反應器。SCR 脫硝反應原理如圖1 所示。

圖1 SCR 脫硝反應原理圖

催化劑的投資占SCR 總投資的35%左右，作用是提高反應速度，降低反應過程中的活化能，使最適合反應的溫度降至煙氣溫度（150～450 ℃）。在SCR 系統(tǒng)中使用的催化劑材料大多以TiO2為載體，以V2O5、V2O5-WO3或V2O5-MoO3為活性成分。催化劑的類型有蜂窩式、板式和波紋式3 種［4］。催化劑根據(jù)組成成分、元素含量的不同，適用的溫度也不一樣。在高溫（345～590 ℃）下適用的催化劑為高溫催化劑，高溫催化劑催化效率高，技術成熟，是流行使用SCR 高溫高灰布置的主要原因；適用溫度略低于高溫的（260～380 ℃）催化劑為中溫催化劑和適用于低溫（80～300 ℃）的低溫催化劑［5］。催化劑活性與脫硝效率密切相關，如果反應溫度偏低，活性降低導致脫硝效率下降；如果反應溫度偏高，一部分NH3在高溫下被氧化，選擇性降低，不與煙氣中NOx反應導致效率下降。工程上常用氨逃逸量來表示催化劑壽命，隨著催化劑活性的降低，脫硝效率降低，氨逃逸量增加，NH3參與還原反應量減小，當氨逃逸量達到最大規(guī)定限度就需要更換維護催化劑。催化劑的壽命還會因為各種物理、化學因素的影響如堵塞、變形、燒結(jié)、腐蝕、積灰和金屬中毒等因素而下降［6］。

系統(tǒng)中常用尿素、氨水或純氨來制作還原劑NH3［7］。燃煤電廠中的制氨方法有3 種：純氨法、尿素水解法和尿素熱解法。純氨法只需將液氨蒸發(fā)即可得到NH3，流程簡單，運行溫度低，運行投資費用低；尿素水解法原理是尿素溶液在一定的溫度和壓力下，先生成中間產(chǎn)物，隨后分解生成NH3和CO2；尿素熱解法是尿素溶液霧化后在高溫下直接受熱發(fā)生分解生成NH3［8］。

目前典型SCR 脫硝系統(tǒng)的工藝流程為：液氨以液態(tài)形式儲存運輸，汽化后注入緩沖罐里平衡壓力，在混合器中與空氣混合稀釋，通過噴氨格柵噴入反應器上游的煙氣中，與煙氣中的NOx在催化劑作用下發(fā)生反應［9］。脫硝系統(tǒng)工作過程如圖2 所示。

圖2 SCR 流程圖

3 SCR 脫硝影響因素

煙氣脫硝效率是指煙氣脫硝裝置脫除的NOx量與原未經(jīng)脫硝的煙氣中所含NOx量之比的百分數(shù)。SCR 脫硝過程中影響效率的因素有很多，其中主要因素有反應溫度、氨氮摩爾比、空速、NOx濃度和接觸時間等。通過數(shù)學模擬600 MW 機組在不同條件下脫硝效率的變化規(guī)律如圖3 所示［10］。

圖3 不同因素對脫硝效率的影響

圖3（a）表示煙氣溫度對脫硝效率的影響。脫硝效率隨著煙氣溫度升高先增加后降低，在煙氣溫度400 ℃左右時達到最大。因為機組的高溫催化劑最佳反應溫度為300～400 ℃［11］，溫度在最適溫度時，催化劑活性最大，脫硝效率最高；溫度較低時，催化劑活性未完全激發(fā)效率偏低；溫度較高時，催化劑失活會導致效率降低，溫度過高還會加速NH3氧化。

圖3（b）表示氨氮摩爾比對脫硝效率的影響。脫硝效率隨氨氮摩爾比的增大先增加后降低，在氨氮摩爾比為1.02 左右時達到最大值，表示NH3與NOx充分反應。當氨氮摩爾比偏小時，NH3噴入量較小導致NH3與NOx反應不充分；當氨氮摩爾比偏大時，NH3噴入量較大，會導致氨逃逸量增加和NH3氧化反應加大。

圖3（c）表示NOx濃度對脫硝效率的影響。脫硝效率隨NOx濃度的增加而單調(diào)下降。因為系統(tǒng)在氨噴入量不變的情況下，隨著反應器入口煙氣中NOx濃度增加，部分NOx無法與NH3發(fā)生反應，導致脫硝效率下降。

圖3（d）表示空速對脫硝效率的影響。脫硝效率隨空速的增加而單調(diào)下降。因為空速越大，煙氣在反應器的停留時間越短，NOx與NH3發(fā)生催化還原反應越不充分，導致脫硝效率下降。

圖3（e）表示接觸時間對脫硝效率的影響。脫硝效率隨接觸時間的增加先增加后降低，在200 ms 左右達到最大值。開始煙氣與催化劑的接觸時間越長，反應越充分；接觸時間過長，會導致NH3氧化反應和其他副反應加大，脫硝效率下降。

鍋爐機組的負荷等其他因素也會對脫硝效率產(chǎn)生影響。機組負荷的影響實際上是過量空氣系數(shù)、氧含量和溫度等多種因素的綜合影響。機組負荷與SCR 脫硝系統(tǒng)中的煙氣量相關，在噴氨量不變的情況下，負荷越大，煙氣量越多，脫硝效率減小；氧氣的含量影響爐內(nèi)燃燒，氧量增加，爐內(nèi)富氧燃燒，燃料中的熱力型NOx生成量增加，但隨著氧氣量的進一步增加，爐內(nèi)的風量過大導致溫度降低，熱力型NOx會有所減少；過量空氣系數(shù)影響煙氣的溫度，過量空氣系數(shù)增大，SCR 入口煙氣溫度升高，脫硝效率提高，但鍋爐的排煙溫度也會升高，排煙熱損失會增大導致鍋爐熱效率降低［12］。

4 SCR 系統(tǒng)反應器不同布置影響脫硝效率因素

燃煤電廠SCR 系統(tǒng)設備可以放在鍋爐省煤器后面，也可放在電除塵器后面，還可放在煙氣脫硫裝置后。這3 種位置布置的SCR 系統(tǒng)設備分別稱為高溫高灰布置SCR 系統(tǒng)、高溫低灰布置SCR 系統(tǒng)和低溫低灰布置SCR 系統(tǒng)［13］。

高溫高灰布置也叫高含塵熱段布置，如圖4 所示。SCR 系統(tǒng)設備布置在省煤器后，空預器前。此處煙氣中的飛灰和SO2含量高，溫度為350 ℃左右，多數(shù)催化劑在這個反應溫度下脫硝效率最高，因此這種布置在燃煤電廠超低排放的背景下被廣泛采用。由于飛灰含量高、顆粒大，所以會在系統(tǒng)中布置吹灰設備和應用大孔徑催化劑，催化劑壽命長。

圖4 SCR 高溫高灰布置

高溫低灰布置也叫低含塵熱段布置，如圖5 所示。反應器布置在除塵器之后，脫硫裝置前。煙氣經(jīng)過除塵器的溫度在325 ℃左右SO2含量高，飛灰含量低且無大顆粒飛灰，減少了對催化劑的堵塞磨損。缺點是系統(tǒng)中無吹灰設備，煙氣中的細小顆粒需要靜電除塵器去除，靜電除塵器在高溫煙氣下運行風險大；煙氣中的SO2含量高，無法用高活性催化劑，還會有硫酸氨和硫酸氫氨堵塞催化劑的風險。

圖5 SCR 高溫低灰布置

低溫低灰布置也叫冷段布置，如圖6 所示。反應器布置在煙氣脫硫裝置后。煙氣流經(jīng)脫硫裝置溫度在80 ℃左右，無飛灰和SO2，催化劑壽命長，沒有污染和堵塞的風險，可以安裝高活性的催化劑。缺點是煙氣沒有達到催化反應所需溫度，需要加裝煙氣加熱裝置，大大增加脫硝運行費用。

圖6 SCR 低溫低灰布置

SCR 反應器3 種不同布置的特點如表1 所示。

表1 SCR 反應器布置方式的性能對比

空速是煙氣體積流量與催化劑體積之比，代表煙氣的停留時間，煙氣的空速越小，其停留時間越短，脫硝效率越高；煙氣中的SO2會轉(zhuǎn)化成SO3與NH3生成NH4HSO4，NH4HSO4在高溫高灰布置的SCR 系統(tǒng)會堵塞后方空預器，影響脫硝效率；煙氣中的高溫飛灰對催化劑影響很大，會導致催化劑積灰、沖蝕、堵塞、磨損，飛灰中含的重金屬還會導致催化劑中毒從而影響脫硝效率；煙氣溫度與催化劑的活性密切相關，大部分高效的高溫催化劑在300～430 ℃時效率最高。

5 結(jié)論

（1）高溫高灰布置在SCR 反應器3 種布置方式中優(yōu)勢明顯，系統(tǒng)中進入催化劑的煙氣溫度為300～425 ℃，適合大多數(shù)催化劑高效運行而且應用的大孔徑蜂窩式催化劑性能優(yōu)異，可以在較低的煙氣流速下運行，所以高溫高灰布置的SCR 系統(tǒng)的脫硝效率最高，被廣泛應用于燃煤電站鍋爐。

（2）高溫低灰布置系統(tǒng)的煙氣在進入SCR 反應器前經(jīng)過高溫除塵器除塵，反應器內(nèi)無吹灰清掃系統(tǒng)，需要較高的煙氣流速來吹掃煙氣所含的細灰顆粒，導致脫硝效率低于高溫高灰布置系統(tǒng)，而且高溫除塵器運行風險大，投資較高。

（3）低溫低灰布置的低溫催化劑脫硝效率在70%左右，不適合燃煤電廠超低排放，多用于燃氣輪機和垃圾焚燒場的脫硝系統(tǒng)。