钴钼催化剂 一文看懂脱硝技术与工艺流程，如何保证SCR的脱销效率
脱硝技术简介
脱除燃烧烟气中的氮氧化物，防止环境污染的重要性已急剧上升为世界性议题。目前国际上较主流的工艺分为：SCR与SNCR。除因使用催化剂，SCR的反应温度较SNCR低外，这两种工艺并无太大差别。但从建设成本及运行成本来看，SCR的投资至少是SNCR的数倍，甚至十几倍以上。
为了防止锅炉燃煤后产生过量的NOx污染，煤炭应对其进行脱硝，脱硝可分为燃烧前脱硝、燃烧中脱硝、燃烧后脱硝。
高位除尘SCR系统工艺流程图
选择性非催化还原脱硝技术（SNCR）工艺流程图
SCR烟气脱硝工艺流程图
SCR烟气脱硝工艺流程图
选择性非催化还原（SNCR）烟气脱硫技术
选择性非催化还原（SNCR）烟气脱硫技术
脱硝工艺流程图
水泥工艺脱硝工艺流程图
臭氧脱硝系统流程图
高位除尘SCR系统工艺流程图
高位除尘SCR系统工艺流程图
高位除尘SCR系统工艺流程图
SNCR与SCR联合脱硝工艺流程图
SCR脱硝技术工艺流程图
SCR脱硝技术工艺流程图
1 氮氧化物有哪些危害？
答：（1）NO能使中枢神经系统麻痹，导致死亡。NO2可引起哮喘和肺气肿，损害心、肺、肝、肾及造血组织，且毒性比NO大。无论是NO、NO2还是N2O，空气中最高允许浓度均为5mg/m3（以NO2计）。
（2）NOx与SO2一样，在大气中通过干湿沉降会落到地面，其最终归宿是硝酸盐或硝酸。硝酸雨的危害性比硫酸雨大，因为它在水体酸化、土壤淋溶贫瘠化、农作物和森林的燃烧和破坏、建筑物和文物的腐蚀和损坏等方面的危害性不亚于硫酸雨。不同的是，它给土壤带来了一定的有益氮，但这种“好处”远小于“坏处”，因为它可能造成地表水的富营养化，破坏水生和陆地生态系统。
（3）大气中的NOx有一部分进入平流层，破坏臭氧层，使臭氧层变薄，甚至形成空洞，对人类生活产生不利影响。NOx中的N2O也是造成全球气候变暖的因素之一，虽然其数量极少，但其温室效应却是CO2的200-300倍。
2 影响NOx生成的主要因素有哪些？
答：锅炉烟气中的NOx主要来源于燃料中的氮，一般来说，燃料中氮含量越高，NOx排放量越大。此外，影响锅炉烟气中NOx含量的因素还有很多，包括燃料种类、运行工况、锅炉负荷等。
（1）锅炉燃料特性的影响
煤中挥发分中各种元素的配比会影响燃烧过程中NOx的生成量。煤中氧/氮（O/N）比越大，NOx排放量越高。即使在相同的O/N比下，转化率也与过量空气系数有关，过量空气系数越大，转化率越高，从而增加NOx排放量。另外，煤中的硫/氮（S/N）比也会影响SO2和NOx的排放水平。S和N在氧化过程中会相互竞争。因此，在锅炉烟气中，随着SO2排放量的增加，NOx排放量会相应减少。
（2）锅炉过量空气系数的影响
当空气无分级进入炉膛时，降低过量空气系数会在一定程度上限制反应区氧浓度，从而对NOx的生成有明显的控制作用，此方法可减少NOx的生成15%～20%，但CO增多，燃烧效率下降。当空气分级进入时，可有效降低NOx的排放量，随着一次空气量的减少，二次空气量的增加，N2被氧化的速度降低，NOx的排放量也随之减少。
（3）锅炉燃烧温度的影响
关于燃烧温度对NOx排放的影响，目前已有一个共识，即随着炉内燃烧温度的升高，NOx排放量增加。
（4）锅炉负荷率的影响
一般来说，增加负荷率和进煤量，燃烧室和尾部受热面烟气温度会升高，挥发性N生成的NOx也会相应增多。
3、控制NOx的措施有哪些？
答：NOx的控制方法从燃料生命周期的三个阶段入手，即燃烧前、燃烧中、燃烧后。目前，对燃烧前脱硝的研究很少，几乎所有的研究都集中在燃烧中和燃烧后的NOx控制上。因此，国际上把燃烧过程中的NOx控制措施统称为一次措施，燃烧后的NOx控制措施称为二次措施，也称烟气脱硝技术。目前燃烧过程中常用的NOx控制技术是低NOx燃烧技术，主要包括低NOx燃烧器、空气分级燃烧和燃料分级燃烧。燃煤电厂锅炉采用的成熟的烟气脱硝技术主要有选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR）和SNCR/SCR混合烟气脱硝技术。
4 什么是低氮燃烧技术？
答：燃烧区的温度和过量空气量对NOx的生成起着决定性的作用。因此，低NOx燃烧技术就是通过控制燃烧区的温度和空气量来阻止NOx的生成，减少其排放。目前，常用的低NOx燃烧技术有以下几种：
（1）燃烧优化：通过调整锅炉燃烧的空气分布来控制NOx排放的一种实用方法。采取的措施是控制燃烧空气量，保持各燃烧器的空粉（煤粉）比相对平衡，进行燃烧调整，使燃料型NOx的生成量降到最低，从而达到控制NOx排放的目的。
（2）空气分级燃烧技术：是目前应用较为广泛的低NOx燃烧技术，其主要原理是将燃料的燃烧过程分为多个阶段。该技术将燃烧空气分为一次风和二次风，减少煤粉燃烧区域的空气量（一次风），提高燃烧区域的煤粉浓度，延缓一次风和二次风的混合时间。这样，煤粉进入炉膛时就形成富燃料区，使燃料在缺氧条件下在富燃料区燃烧，从而减少燃料型NOx的生成。再将缺氧燃烧产生的烟气与二次风混合，使燃料完全燃烧。
（3）低NOx燃烧器：将前述空气分级、燃料分级原则应用到燃烧器的设计中，尽可能降低点火区氧浓度和温度，从而达到控制NOx生成量的目的。这类专门设计的燃烧器即为低NOx燃烧器，一般可使NOx排放浓度降低30%～60%。
此外，还有燃料分级燃烧、烟气再循环等技术来控制NOx。近几年投产的大型机组，特别是超临界、超超临界机组，基本都采用了低氮燃烧技术，对NOx的排放浓度控制得比较好。但早些年投产的机组NOx排放浓度比较高。随着我国对环保的要求越来越高，对氮氧化物排放的限制也会越来越严格。因此，国内一些大型锅炉厂和一些工程公司对低氮燃烧技术的研究比较多，特别是在运行机组上，如在一些运行电站锅炉上实施低氮燃烧改造试验和工程应用。实施低氮燃烧改造，基本都是通过采用空气分级、高位燃尽风、浓淡燃烧器及空气浓淡分布技术，降低燃烧器区热负荷，达到对NOx的有效控制。
5、锅炉房低NOx燃烧技术有何特点？
答：减少燃烧过程中NOx生成的主要手段是采用分级燃烧，降低燃烧区域氧浓度，降低火焰温度。上锅低NOx燃烧技术设计的基本思路是将低过量空气燃烧、空气分级燃烧和专门设计的低NOx燃烧器相结合，在挥发性氮物质形成的关键燃烧初期降低O2，以达到其在全炉分级燃烧和局部空气分级燃烧时降低NOx的作用，促使挥发性氮物质在初始富燃料条件下转化为N2，从而达到大幅降低NOx排放的目的。
当设计煤种采用上锅低NOx燃烧技术时，机组负荷BMCR工况下锅炉NOx排放保证浓度可达不大于200mg/Nm3(O2=6%)；当机组负荷大于60%BMCR工况下，锅炉NOx排放保证浓度可达不大于250mg/Nm3(O2=6%)。
6 为什么采用低氮燃烧技术低负荷时NOx排放控制困难？
答：一般来说，锅炉在低负荷运行时，为了保证蒸汽温度，通常会在燃烧过程中提高过量空气系数。过量空气系数的提高使得燃烧中的氧含量更高，分级燃烧效果降低，即不能有效利用空气分级的特点来降低NOx的排放。这是锅炉低负荷时NOx难以控制的主要原因。
另外，机组低负荷运行时，即使不参与燃烧空气分配的二次风挡板全关，挡板板仍留有一定的流动间隙，以保证约10%的二次风通过，冷却燃烧器喷嘴。但由于锅炉低负荷运行时总运行风量较少，且燃烧器停炉、挡板全关时流动间隙的结构，导致低负荷时冷却空气量与燃烧空气量的比例明显增加，低负荷运行时主燃烧器区域氧含量较低，分级燃烧效果降低。因此，低负荷NOx控制效果不明显。
7、锅炉房低氮燃烧器有何特点？
上锅采用专用低NOx燃烧器，通过特殊设计的燃烧器结构，通过改变燃烧器的空煤比，将前述的空气分级、燃料分级用于燃烧器本身，尽可能的降低点火氧浓度，适当降低点火区温度，达到最大限度抑制NOx生成的目的。
上锅专用低NOx燃烧器主要包括预设水平偏转角的辅助空气喷嘴（CFS）设计和增强点火煤粉设计。
8、锅炉房低NOx空气分级燃烧技术有何特点？
答：空气分级燃烧的基本原理是分阶段完成燃料的燃烧过程。空气分级燃烧主要有轴向分级燃烧和径向分级燃烧两种。轴向分级燃烧是指在燃烧器上方一定位置开设一层或两层所谓的烧尽空气喷嘴，沿炉膛轴向（即烟气流动方向）分阶段将助燃空气送入炉膛，使燃料的燃烧过程沿炉膛轴向分阶段进行。径向分级燃烧是指将二次风喷流轴线向水冷壁方向偏转一定角度，形成一次风煤粉气流在内、二次风在外的径向分级燃烧。
空气分级燃烧方式弥补了单纯低过量空气燃烧的不足，第一段燃烧区过量空气系数越小，抑制NOx生成的效果越好，但燃烧产物不完全越多，燃烧效率越低，结渣、腐蚀的可能性越大。因此，为了既能降低NOx的排放，又能保证锅炉燃烧的经济性和可靠性，必须正确组织空气分级燃烧过程。
轴向分级燃烧技术主要通过紧凑式燃尽风CCOFA和分离式燃尽风SOFA控制，径向分级燃烧技术通过预设水平偏转角的辅助风喷嘴（CFS）设计实现；上锅筒低NOx燃烧技术可将轴向分级燃烧与径向分级燃烧有效结合起来。
9 低NOx燃烧低过量空气技术的优点和缺点是什么？
答：燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行，随着烟气中过量氧的减少，可抑制NOx的生成，这是减少NOx排放量最简单的方法，一般可减少NOx排放量15-20%。但炉内氧浓度过低（3%以下）时，CO浓度会急剧升高，增加化学不完全燃烧热损失，增加飞灰含碳量，降低燃烧效率。因此，在锅炉设计和运行中，应选择最合理的过量空气系数。
另外，当锅炉按较低的过量空气系数设计时，如果实际运行不能达到设计时选定的过量空气系数(实际运行高于设计值)，则通过锅炉各受热部件的烟气流量就会偏离设计值，从而达不到设计的换热效果和受热面防磨要求。
因此，需将降低NOx与提高燃烧效率结合起来，在相应较低的过量空气系数下降低NOx排放量，同时兼顾锅炉整体受热面的设计，优化锅炉整体运行性能。
10什么是SCR烟气脱硝技术？
答：SCR烟气脱硝技术即选择性催化还原技术（简称SCR），是向催化剂上游的烟气中喷入氨气或其他合适的还原剂，利用催化剂（铁、钒、铬、钴或钼等碱金属）在200-450℃的温度下将烟气中的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发生反应，所以称为选择性催化还原脱硝。在通常的设计中，采用的是液态纯氨或氨水（氨的水溶液）。无论采用何种形式的氨，都先经过蒸发，然后与稀释空气或烟气混合，最后利用氨喷淋格栅喷入SCR反应器上游的烟气中。
11 SCR法有哪些优点？
答：SCR是目前国际上应用最广泛、最成熟的烟气脱硝技术。该法优点在于：由于采用催化剂，反应温度低；净化率高，可达85%以上；工艺设备紧凑，运行可靠；还原后的氮气达标排放，无二次污染。
12SCR法的缺点是什么？
答：SCR法存在明显的缺点：烟气成分复杂，某些污染物会毒化催化剂；高度分散的粉尘颗粒会覆盖在催化剂表面，降低其活性；系统内存在部分未反应的NH3，它与烟气中的SO2发生反应，生成硫酸铵（NH4）2SO4和硫酸氢铵，易腐蚀和堵塞设备，同时也降低氨的利用率；投资和运行费用相对较高。
13 NOx 在 SCR 系统中如何反应？
在SCR反应器中，NO通过以下反应被还原：
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
6NO + 4NH3 → 5N2 + 6H2O
当烟气中存在氧气时，第一个反应优先进行，因此氨消耗量与NO还原之间存在一一对应的关系。
锅炉烟气中，NO2一般占总NOx浓度的5%左右，NO2参加的反应有：
2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O
以上两个反应说明，还原NO2所需的氨量比还原NO所需氨量要大，而大多数锅炉烟气中NO2仅占总NOx的很小一部分，因此NO2的影响并不显著。
14 SCR脱硝催化剂如何选择？
答：SCR法中催化剂的选择是关键因素，对催化剂的要求是活性高、寿命长、经济性好、无二次污染。当采用氨作为还原剂还原NOx时，虽然该过程易于进行，铜、铁、铬、锰等非贵金属能起到有效的催化作用，但由于烟气中含有SO2、粉尘颗粒及水雾，不利于催化反应和催化剂的发挥。因此，采用铜、铁等金属作为催化剂的SCR法首先要进行烟气除尘脱硫；或者选择不易受脏烟气污染和腐蚀影响，同时又要具有一定活性和对一定温度耐受性的催化剂，如以二氧化钛为基础的碱金属催化剂，其最佳反应温度为300-400℃。
15 如何保证SCR系统的NOx去除效率？
答：SCR 系统的 NOx 去除效率通常很高，喷入烟气中的氨几乎完全与 NOx 发生反应。一小部分氨不发生反应，以氨的形式从反应器中逸出。一般来说，对于新催化剂，氨逃逸率很低。但随着催化剂失活或表面被飞灰覆盖或堵塞，氨逃逸率会增加。为保持所需的 NOx 去除率，必须提高反应器中的 NH3/NOx 摩尔比。当无法保证脱硝效率和（或）氨逃逸率的预设性能标准时，必须在反应器中添加或更换新催化剂，以恢复催化剂活性和反应器性能。
16 SCR脱硝过程中氨的氧化机理及危害有哪些？
答：氨的氧化将部分氨转化为其他氮化合物。可能的反应有：
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O
影响氨氧化反应的因素包括：催化剂组成、烟气中各组分及氨的浓度、反应器温度等。一般认为，在钒催化剂上，当温度超过399℃时，氨的氧化会对脱硝过程产生明显的影响。
其危害：首先，达到给定的NOx去除率所需的氨供给量会增加，需要加入额外的还原剂来代替被氧化的氨；其次，氨的氧化使催化剂内表面吸附的氨减少，对NOx去除有影响，并可能导致催化剂体积不足；另外，由于氨要么被氧化，要么与NOx发生反应，要么以氨逃逸的形式排出反应器，因此氨的氧化使SCR工艺的物质衡算变得复杂化。因此，SCR烟气脱硝系统需配备氨逃逸测量仪表。
17 SCR脱硝过程中SO2氧化的机理和危害有哪些？
答：SCR催化剂的氧化特性导致燃用含硫煤的锅炉脱硝反应器也会将SO2氧化为SO3：2SO2+O2→2SO3。SO2氧化速度受烟气中SO2浓度、反应器温度、催化剂质量、催化剂结构设计及配方等影响。SO3的生成速度与烟气中SO2浓度成正比。反应温度升高也会加速SO2的氧化，当温度超过371℃后氧化速度会迅速增加。SO2氧化速度还与反应器中催化剂的体积成正比，因此，以高脱硝效率、低氨逃逸为目标设计的反应器也会生成较多的SO3。
SO3与催化剂组分、烟气组分发生反应，生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使烟气中SO3的背景浓度升高。
18 SCR脱硝过程中铵盐（如硫酸氢铵、硫酸铵）的形成机理及危害。
答：约在320℃以下，SO3与逸出的氨反应生成硫酸氢铵和硫酸铵：
NH3 + SO3 + H2O →
2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4
这些物质从烟气中凝结沉积，可使催化剂失活；造成SCR系统下游设备的污染和腐蚀，增加空气预热器的压降并降低其传热性能；使飞灰和脱硫装置副产物不适用于特定用途。减少上述影响的方法是将氨逃逸保持在较低水平，并控制燃烧含硫燃料的锅炉SCR装置的SO2氧化速率。铵盐开始沉积的温度是氨和SO3浓度的函数。为避免催化剂污染，在满负荷条件下，SCR系统的工作温度应保持在320℃以上。
19 影响SCR脱硝性能的因素有哪些？
答：影响SCR脱硝性能的几个关键因素是：反应温度，烟气速度，催化剂的类型、结构和表面积，以及烟气/氨混合效果。
催化剂是SCR系统的主要部分，其组成、结构、寿命及相关参数直接影响SCR系统的脱硝效率和运行。不同催化剂适宜的反应温度也不同。反应温度不仅决定反应物的反应速率，还决定催化剂的反应活性。反应温度过低，催化剂活性下降，脱硝效率下降，达不到脱硝效果。另外，催化剂在低温下持续运行还会对催化剂造成永久性损坏；反应温度过高，NH3易被氧化，NOx生成量增多，甚至会引起催化剂材料相变，导致催化剂活性下降。在同等条件下，反应器中的催化剂表面积越大，NO去除效率越高，氨逃逸量越少。
NH3输入既要保证SCR系统的NOx去除效率，又要保证较低的氨逃逸率。只有保证反应器内气流速度分布均匀、流向调节合理，才能保证NOx转化率、氨逃逸率和催化剂寿命。采用合理的喷嘴格架、提供足够长的氨与烟气混合烟道是使氨与烟气均匀混合的有效措施，可以避免因氨与烟气混合不均匀而引起的一系列问题。