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锅炉SCR烟气脱硝技术的相关知识

来源:上海集联自动化技术有限公司 │ 发表时间:2020-08-04 | 浏览数:载入中...

锅炉SCR烟气脱硝技术的相关知识

什么是SCR烟气脱硝技术? 

SCR烟气脱硝技术即选择性催化还原技术(SelectiveCatalyticReduction,简称SCR),是向催化剂上游的烟气中喷入氨气或其它合适的还原剂,利用催化剂(铁、钒、铬、钴或钼等碱金属)在温度为200-450℃时将烟气中的NOx转化为氮气和水。由于NH3具有选择性,只与NOx发生反应,基本不与O2反应,故称为选择性催化还原脱硝。在通常的设计中,使用液态纯氨或氨水(氨的水溶液),无论以何种形式使用氨,首先使氨蒸发,然后氨和稀释空气或烟气混合,最后利用喷氨格栅将其喷入SCR反应器上游的烟气中。
SCR法的优点有哪些?
SCR法是国际上应用最多、技术最成熟的一种烟气脱硝技术。该法的优点是:由于使用了催化剂,故反应温度较低;净化率高,可高达85%以上;工艺设备紧凑,运行可靠;还原后的氮气放空,无二次污染。
 SCR法的缺点有哪些?
SCR法存在一些明显的缺点:烟气成分复杂,某些污染物可使催化剂中毒;高分散度的粉尘微粒可覆盖催化剂的表面,使其活性下降;系统中存在一些未反应的NH3和烟气中的SO2作用,生成易腐蚀和堵塞设备的硫酸氨(NH4)2SO4和硫酸氢氨NH4HSO4,同时还会降低氨的利用率;投资与运行费用较高。
SCR系统里的NOx是如何被反应的?
在SCR反应器内,NO通过以下反应被还原:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O6NO+4NH3→5N2+6H2O当烟气中有氧气时,反应第一式优先进行,因此,氨消耗量与NO还原量有一对一的关系。
在锅炉的烟气中,NO2一般约占总的NOx浓度的5%,NO2参与的反应如下:2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O6NO2+8NH3→7N2+12H2O
上面两个反应表明还原NO2比还原NO需要更多的氨。在绝大多数锅炉的烟气中,NO2仅占NOx总量的一小部分,因此NO2的影响并不显著。
 SCR脱硝法的催化剂如何选择?
SCR法中催化剂的选取是关键因素,对催化剂的要求是活性高、寿命长、经济性好不产生二次污染。在以氨为还原剂来还原NOx时,虽然过程容易进行,铜、铁、铬、锰等非贵金属都可起到有效的催化作用,但因烟气中含有SO2、尘粒和水雾,对催化反应和催化剂均不利,故采用铜、铁等金属作为催化剂的SCR法必须首先进行烟气除尘和脱硫;或者是选用不易受肮脏烟气污染和腐蚀等影响的,同时要具有一定的活性和耐受一定温度的催化剂,如二氧化钛为基体的碱金属催化剂,其最佳反应温度为300-400℃。
 如何保证SCR系统NOx脱除效率?
SCR系统NOx脱除效率通常很高,喷入到烟气中的氨几乎完全和NOx反应。有一小部分氨不反应而是作为氨逃逸离开了反应器。一般来说,对于新的催化剂,氨逃逸量很低。但是,随着催化剂失活或者表面被飞灰覆盖或堵塞,氨逃逸量就会增加,为了维持需要的NOx脱除率,就必须增加反应器中NH3/NOx摩尔比。当不能保证预先设定的脱硝效率和(或)氨逃逸量的性能标准时,就必须在反应器内添加或更换新的催化剂以恢复催化剂的活性和反应器性能。
 SCR脱硝过程中氨的氧化机理及危害?
氨的氧化将一部分氨转化为其它的氮化合物。可能的反应有:4NH3+5O2→4NO+6H2O4NH3+3O2→2N2+6H2O2NH3+2O2→N2O+3H2O
影响氨氧化反应的因素有:催化剂成分、烟气中各组分和氨的浓度、反应器温度等。一般认为在钒催化剂上,当温度超过399℃时,氨的氧化对脱硝过程才有显著影响。
其危害:首先,达到给定的NOx脱除率需要的氨供给率将增加,需要添加额外的还原剂以替换被氧化的氨;第二,氨的氧化减少了催化剂内表面吸附的氨,可能影响NOx脱除,可能导致催化剂体积不足;此外,由于氨不是被氧化就是与NOx反应或者作为氨逃逸从反应器中排出,因此氨的氧化使SCR工艺过程的物料平衡变得复杂。因此,SCR烟气脱硝系统需要安装氨逃逸的测量仪器。
 SCR脱硝过程中SO2氧化的机理及危害?
SCR催化剂的氧化特性使燃用含硫煤的锅炉的脱硝反应器也会将SO2氧化为SO3:2SO2+O2→2SO3。SO2氧化率受烟气中SO2浓度、反应器温度、催化剂质量、催化剂的结构设计及配方的影响。SO3的产生率正比于烟气中SO2的浓度。增加反应温度也会加快SO2的氧化,当温度超过371℃时,氧化速率将迅速增加。
SO2氧化速率也与反应器中催化剂的体积成正比,因此,为获得高的脱硝效率和低的氨逃逸而设计的反应器也会产生更多的SO3。
SO3与催化剂组分及烟气组分反应,形成固体颗粒沉积在催化剂表面或内部,缩短催化剂寿命。SCR反应器产生的SO3增加了烟气中SO3的本底浓度。
 SCR脱硝过程中铵盐(如硫酸氢铵和硫酸铵)的形成机理及危害。
约在320℃以下,SO3和逃逸的氨反应,形成硫酸氢铵和硫酸铵:NH3+SO3+H2O→NH4HSO42NH3+SO3+H2O→(NH4)2SO4
这些物质从烟气中凝结并沉积,可以使催化剂失活;造成SCR系统的下游设备沾污和腐蚀,增加空气预热器的压降并降低其传热性能;使飞灰及脱硫装置副产物不适合于特定的用途。
降低上述影响是将氨逃逸量维持在低水平以及控制燃用含硫燃料锅炉SCR装置的SO2氧化率。铵盐沉积开始的温度是氨和SO3浓度的函数,为了避免催化剂沾污,在满负荷条件下,SCR系统运行温度应该维持在320℃以上。
 影响SCR脱硝性能的因素有哪些?
影响SCR脱硝性能的几个关键因素有:反应温度、烟气速度、催化剂的类型、结构和表面积以及烟气/氨气的混合效果。
催化剂是SCR系统中的主要部分,其成分组成、结构、寿命及相关参数直接影响SCR系统的脱硝效率及运行状况。不同的催化剂适宜的反应温度也差别各异。反应温度不仅决定反应物的反应速度,而且决定催化剂的反应活性。如果反应温度太低,催化剂的活性降低,脱硝效率下降,则达不到脱硝的效果。
此外催化剂在低温下持续运行,还将导致催化剂的永久性损坏;如果反应温度太高,则NH3容易被氧化,生成NOx的量增加,甚至会引起催化剂材料的相变,导致催化剂的活性退化。在相同的条件下,反应器中的催化剂表面积越大,NO的脱除效率越高,同时氨的逸出量也越少。

NH3输入量必须既保证SCR系统NOx的脱除效率,又保证较低的氨逃逸率。只有气流在反应器中速度分布均匀及流动方向调整得当,NOx转化率、氨逃逸率和催化剂的寿命才能得以保证。采用合理的喷嘴格栅,并为氨和烟气提供足够长的混合烟道,是使氨和烟气均匀混合的有效措施,可以避免由于氨和烟气的混合不均所引起的一系列问题。

氨逃逸系统

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