煙氣脫硫脫硝關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及工程運(yùn)用

洪啟釵

（國能龍?jiān)喘h(huán)保有限公司泉州分公司，福建泉州 362100）

國家能源局指出，2020年我國實(shí)現(xiàn)了CO2、SO2、NOx分別減排17.9億t、86.4萬t與79.8萬t的效果，其不僅說明我國環(huán)保工作獲得了良好的工作成效，也為生態(tài)文明建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但是，環(huán)境保護(hù)工作作為一種持續(xù)性工作內(nèi)容，應(yīng)研發(fā)和運(yùn)用各類新型技術(shù)手段，保障環(huán)境保護(hù)工作成效的進(jìn)一步提升。據(jù)此，本文將以煙氣脫硫脫硝關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)為視角進(jìn)行分析研究，介紹某公司所采用的選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及工程運(yùn)用情況，以期為我國煙氣脫硫脫硝關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及運(yùn)用提供一定理論參考。

1 火電廠煙氣脫硫脫硝主要工藝技術(shù)

現(xiàn)階段，國際上各類煙氣脫硝技術(shù)種類繁多，并且相關(guān)技術(shù)手段在多年研究及發(fā)展過程中已經(jīng)相對成熟，其中SCR法和選擇性非催化還原（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）法更是在諸多大型燃煤火電廠中得到廣泛運(yùn)用。SCR法具有脫除率高、幾乎無二次污染、相關(guān)技術(shù)成熟等優(yōu)勢，已成為我國燃煤火電廠煙氣脫硝的重要技術(shù)手段之一[1]。隨著國際社會(huì)對于環(huán)境保護(hù)工作的日益重視，一些聯(lián)合脫硫脫硝工藝也開始逐步興起，如活性炭吸附法、脈沖電暈放電等離子體法、等離子體法及SNAP法等，相關(guān)工藝可以實(shí)現(xiàn)SOx和NOx的聯(lián)合脫除效果。相對于傳統(tǒng)煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD）和SCR工藝，聯(lián)合脫硫脫硝工藝不僅脫除效率更高，而且更具經(jīng)濟(jì)性，促使各類聯(lián)合脫硫脫硝工藝也得到普及運(yùn)用。

工業(yè)化聯(lián)合脫硫脫硝組合工藝的運(yùn)用范圍較為廣泛，其主要是采用FGD系統(tǒng)脫除SOx，通過SCR工藝脫除NOx。結(jié)合實(shí)際運(yùn)用情況來看，此工藝可以實(shí)現(xiàn)80%以上的NOx脫除和90%以上的SOx脫除效果。雖然是聯(lián)合脫硫脫硝工藝，但在實(shí)際運(yùn)用過程中FGD系統(tǒng)和SCR工藝仍然是屬于相對獨(dú)立式運(yùn)作，其實(shí)際運(yùn)用優(yōu)勢便在于即便是脫硫脫硝系統(tǒng)入口處SOx和NOx的比例出現(xiàn)變化，此工藝仍舊可以保證最佳的脫除效果[2]。

2 選擇性催化還原法

選擇性催化還原法是指將火電廠排出煙氣中的NH3作為還原劑，通過催化劑進(jìn)行有選擇性的催化還原，進(jìn)而將NH3催化還原成為無毒無污染的N2和H2O。此工藝最早于1977年開始正式投入商用，是當(dāng)前世界上運(yùn)用范圍最廣、技術(shù)最為成熟的一種煙氣脫硝工藝。SCR法的主要反應(yīng)方程式為[3]：

使用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，可以使反?yīng)（1）和（2）在200～400 ℃的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速催化還原反應(yīng)，并且在反應(yīng)過程中可以有效抑制副產(chǎn)物的出現(xiàn)，避免對環(huán)境造成二次污染。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)中NH3和NO的比例為1∶1時(shí)，兩者在反應(yīng)過程中可以實(shí)現(xiàn)80%～90%的NOx脫除率效果?，F(xiàn)如今，國際上采用SCR工藝的裝置遍布世界各地，我國電力系統(tǒng)中對于SCR工藝也有著廣泛運(yùn)用。結(jié)合實(shí)際運(yùn)用情況，SCR工藝對于NOx的脫除率主要受到反應(yīng)過程中的環(huán)境溫度、NH3和NO的比例、火電廠排出煙氣中氧氣含量以及所選用的催化劑性質(zhì)等因素的影響，所以在進(jìn)行SCR系統(tǒng)布置過程中，必須要對相關(guān)影響因素進(jìn)行充分考慮。

常用的SCR系統(tǒng)布置方式主要分為高溫高塵、高溫低塵、低溫低塵3種，其中高溫高塵布置方式是當(dāng)前運(yùn)用范圍最廣的一種SCR系統(tǒng)布置方式，其優(yōu)勢在于反應(yīng)過程中環(huán)境溫度控制在300～400 ℃，更有利于SCR系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但由于此種布置方式長期處于高溫高塵煙氣環(huán)境中，實(shí)際工作環(huán)境較為惡劣，會(huì)嚴(yán)重影響SCR系統(tǒng)的使用壽命；高溫低塵布置方式則是將SCR反應(yīng)器布置在高溫電除塵器和空氣預(yù)熱器之間，此種方式可以有效緩解高溫高塵煙氣對反應(yīng)裝置的磨損及催化劑污染問題，但同時(shí)由于高溫電除塵器在高溫環(huán)境下的運(yùn)行性能較低，反應(yīng)器對于煙氣中NOx的脫除率也將會(huì)受到一定影響；低溫低塵布置方式則是將SCR反應(yīng)器布置在煙氣脫硫系統(tǒng)之后，如此將可以有效避免反應(yīng)器的磨損以及催化劑的污染問題，但由于此時(shí)煙氣溫度較低，所以需要額外設(shè)置燃燒器增加煙氣溫度，額外增加能耗問題，不利于實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)的相關(guān)要求。

除了上述運(yùn)用局限，SCR系統(tǒng)在具體運(yùn)用過程中還會(huì)產(chǎn)生以下兩個(gè)方面的問題。（1）在SCR系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)部分未經(jīng)過催化還原反應(yīng)的NOx被排出系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致二次污染情況。對此，應(yīng)在設(shè)置SCR系統(tǒng)時(shí)對此種情況進(jìn)行充分考慮，并將SCR系統(tǒng)運(yùn)行過程中NOx的泄漏量控制在10.25 μg/m3以內(nèi)[4]。（2）當(dāng)火力發(fā)電過程中所采用的燃煤為高硫煤，那么火電廠在發(fā)電時(shí)煙氣中的SO2將會(huì)為進(jìn)一步氧化成為SO3，而SO3則會(huì)同煙氣中的NO3發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而生成氨鹽導(dǎo)致SCR系統(tǒng)中催化劑受到污染或者出現(xiàn)管道堵塞等情況。此過程中相關(guān)反應(yīng)方程式為[5]：

對于此種問題，最常用的方式是采用低硫煤、降低NHx泄漏量以及將SCR系統(tǒng)布置在FGD系統(tǒng)之后等方式實(shí)現(xiàn)氨鹽的生成量控制。但通過研究發(fā)現(xiàn)，上述所有問題均可以通過選用適當(dāng)?shù)拇呋瘎?、合理控制反?yīng)溫度以及調(diào)節(jié)反應(yīng)計(jì)量等方式進(jìn)行控制，但在運(yùn)用過程中會(huì)消耗大量的催化劑，所以還具有運(yùn)行費(fèi)用相對較高等缺陷，再加上改造機(jī)組的場地限制，多方面因素結(jié)合促使SCR系統(tǒng)在運(yùn)用過程中對設(shè)計(jì)者的技術(shù)能力有著較高要求。

3 某焦化廠SCR煙氣脫硝脫硫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及工程運(yùn)用

3.1 工程概況

某焦化廠基于現(xiàn)有SCR工藝進(jìn)行改良升級，進(jìn)而自主研發(fā)出一種煙氣脫硫脫硝關(guān)鍵技術(shù)，此技術(shù)在經(jīng)過科技廳的鑒定及評估以后，已經(jīng)在當(dāng)前某火電廠中進(jìn)行具體運(yùn)用。

3.2 SCR工藝研發(fā)內(nèi)容

現(xiàn)階段，國際上的煙氣脫硫脫硝工藝均在向高效率、低消耗、高可靠性、低維護(hù)需求等方向發(fā)展。但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，如今社會(huì)對于能源需求的進(jìn)一步提升，其不僅促使各類火力發(fā)電廠的大型化發(fā)展，也導(dǎo)致火電廠所采用的SCR反應(yīng)器體積較為龐大，整體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，并且為保障反應(yīng)器的實(shí)際防腐性能和使用壽命，必須要采用各種高強(qiáng)度、耐腐蝕材料，綜合導(dǎo)致現(xiàn)有的反應(yīng)器造價(jià)均相對較高，前期投入較大，再加上SCR反應(yīng)器自身的高運(yùn)行成本特點(diǎn)，使得SCR系統(tǒng)整體運(yùn)行成本較高，嚴(yán)重阻礙SCR系統(tǒng)的進(jìn)一步運(yùn)用及發(fā)展。

某公司以現(xiàn)有的SCR技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)長期積累的工作經(jīng)驗(yàn)，從SCR系統(tǒng)的運(yùn)用環(huán)境及備用設(shè)施考慮SCR系統(tǒng)運(yùn)用過程中可能會(huì)遇到的各類不確定性因素。最終從系統(tǒng)配置、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)理化特性分析3個(gè)角度實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的有效優(yōu)化設(shè)計(jì)。為保障設(shè)計(jì)的科學(xué)性，還在設(shè)計(jì)中引入了CAD、三維模型仿真分析等現(xiàn)代化技術(shù)，促使設(shè)計(jì)方案的進(jìn)一步優(yōu)化完善。

3.3 優(yōu)化后SCR工藝的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)作用

優(yōu)化后SCR技術(shù)具有占地面積小、脫除率高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，在工程運(yùn)用中表現(xiàn)出了良好的運(yùn)用成效，具體表現(xiàn)為某火力發(fā)電廠工程在現(xiàn)有的FGD系統(tǒng)集成上，再次引入了優(yōu)化后的SCR工藝，并將兩種工藝進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)成工業(yè)化聯(lián)合脫硫脫硝組合工藝，改進(jìn)后的脫硫脫硝工藝可以將NO3和SO2的脫除率均控制在90%以上，并且每千瓦的實(shí)際脫硫脫硝投資費(fèi)用進(jìn)一步降低，說明優(yōu)化后的SCR工藝不僅可以提高火電廠煙氣脫硝效果，還能夠保障原本火電廠所采用的FGD系統(tǒng)脫除率不受影響的同時(shí)，降低SCR系統(tǒng)的整體投入成本，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。另外，某焦化廠對于SCR工藝的優(yōu)化及運(yùn)用也為我國SCR工藝的運(yùn)用及發(fā)展提供了經(jīng)驗(yàn)參考，儲備了相關(guān)工業(yè)化聯(lián)合脫硫脫硝組合工藝的相關(guān)技術(shù)，為后續(xù)脫硫脫硝技術(shù)的運(yùn)用及發(fā)展提供重要技術(shù)支持。

表1 某焦化廠脫硫脫硝技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)語

隨著環(huán)境保護(hù)問題的日益嚴(yán)峻，火電廠必須對各類煙氣脫硫脫硝工藝進(jìn)行充分運(yùn)用，并由此對煙氣中的有害物質(zhì)進(jìn)行脫除，降低火電廠發(fā)電所產(chǎn)生的環(huán)境污染。但是，現(xiàn)有的火電廠脫硫脫硝技術(shù)在運(yùn)用過程中仍然存在經(jīng)濟(jì)性、建設(shè)體積等因素的限制，所以必須基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行研發(fā)及創(chuàng)新，推動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展的同時(shí)，能夠降低煙氣脫硫脫硝技術(shù)的運(yùn)用成本，提高煙氣中有害物質(zhì)的脫除效率，達(dá)成我國環(huán)境保護(hù)的相關(guān)目標(biāo)及戰(zhàn)略要求。