当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第九章 固定源氮氧化物控制技术 > 9-3 选择性催化还原技术 > Video
同学们好！随着氮氧化物排放控制要求的不断提高
烟气脱硝成为达标排放的主要出路
其中，选择性催化还原法是目前应用最广泛
工艺最成熟且最有成效的烟气脱硝技术
选择性催化还原，简称SCR
它的脱硝原理是，在一定温度和催化剂的作用下
用还原剂有选择性地把烟气中的氮氧化物还原为氮气和水
常用的还原剂是氨水、液氨和尿素
实际上不论采用哪种还原剂，起作用的组分都是氨气
这里给出了SCR脱硝过程中发生的化学反应
因为烟气中95%以上的氮氧化物是以NO的形式存在
因此SCR的主反应是氨和一氧化氮反应，生成氮气和水
同时，氨还可以和烟气中的NO2反应生成氮气和水
电厂SCR脱硝的温度一般在290～430度范围内
取决于催化剂的适用温度
反应温度在300度以下时
可能会发生氨被氧气氧化成N2的副反应
当温度达到450℃以上时
氨的分解反应和氨氧化为NO的反应就开始激烈起来
此外，SO2会被氧化成SO3，进而和过量的氨反应生成铵盐
粘附在催化剂和下游设备上
造成催化剂中毒和下游设备的堵塞
大量研究表明，当温度高于200度时
SCR脱硝是基于ER(Eley-Rideal)机理
根据E-R机理，催化剂表面上存在B酸中心
即催化剂的活性中心
在氨催化还原NO的过程中
氨会快速吸附在催化剂表面的B酸中心
然后与气相中的NO发生反应，生成过渡态化合物
这个反应是慢反应，是脱硝速率的控制步骤
过渡态化合物不稳定，分解成氮气和水
而B酸中心再与气相中的氧气反应，脱去氢
完成活性中心的再生，从而实现一个催化循环
那么SCR系统应该布置在火电厂的什么位置呢
SCR脱硝系统主要有三种布置方式
第一种是将SCR反应器布置在锅炉省煤器之后
和空气预热器之前，是目前常用的SCR脱硝方式
因为烟气温度高，没有经过除尘设备，含尘量也高
所以我们把这种布置方式叫做高温高尘布置
这种布置方式的优点是
进入反应器的烟气温度达到300-500度
满足催化剂的运行条件
烟气不需加热就可获得较好的脱硝效果
缺点是催化剂处于高尘烟气中，容易发生中毒和堵塞
导致催化剂寿命缩短
同时因为温度比较高，适宜二氧化硫的氧化
需要采取措施抑制二氧化硫向三氧化硫的转化
高温高尘布置需要设计两个旁路
一是省煤器旁路， 当锅炉负荷比较低的时候
烟气通过省煤器之后，温度较低
达不到SCR的温度要求
这时候我们需要使部分烟气不通过省煤器
二是通过旁路直接进入SCR反应器
以保证烟气温度满足SCR的运行条件
另一个旁路是烟气排放的旁路
如果烟气温度突然升高，会导致催化剂烧结
这样一个旁路可以有效避免这种情况对SCR的损害
第二种布置是将SCR反应器布置在
省煤器后的高温电除尘器与空气预热器之间
称为高温低尘布置
烟气先经过高温电除尘器，再进入SCR反应器
既能保证烟气温度满足催化剂的运行条件
又可以有效防止烟气中飞灰对催化剂的污染和对反应器的磨损
但是这种方式并没有去除烟气中的三氧化硫
因此仍然有可能发生硫酸铵的堵塞
这种方式的缺点是
大部分电除尘器在300-400度的高温下很难正常运行
可靠性不高，因此一般不采用
第三种是将SCR反应器布置在除尘装置和脱硫装置之后
我们称之为低温低尘布置
其优点是，经过脱硫后的烟气已经除去了大部分飞灰
二氧化硫、重金属等物质
使得催化剂免受飞灰和三氧化硫的污染
但是，烟气经过空气预热器、除尘器和脱硫装置之后
温度降到了50-60度
因此必须要经过加热把烟气温度提高到催化剂的活性温度
从而导致能源消耗和运行费用增加
如果有可以用于低温的催化剂
就可以很好地解决这个问题
因此，近年来低温催化剂的研发是SCR的研究热点之一
此外这种布置方式比较适合没有预留脱硝设备的老厂改造
这里给出了用液氨作为还原剂的SCR脱硝系统示意图
整个SCR系统由氨储存和供应系统
氨与空气混合稀释系统、稀释氨气与烟气混合系统
SCR反应器、以及自动控制系统等组成
实际运行时，液氨通过卸料软管
从液氨罐车卸至液氨储罐
储罐内的液氨被送至液氨蒸发槽，在蒸发槽中
被70-90度的余热热水气化
气化产生的氨气经调压阀减压后
与稀释风机送来的空气混合
成为氨气体积含量为5%的混合气体
再用喷氨格栅喷入烟气中，确保氨与烟气充分混合
最后，混合气体进入SCR反应器
在催化剂的作用下，发生还原反应，生成氮气和水
催化反应器是SCR系统的核心设备
这里给出了SCR反应器的示意图
它主要由整流栅、催化剂、催化剂支撑钢梁和吹灰器构成
烟气与氨气混合后，首先通过折角导流栅
流向发生变化
在进入催化剂床层之前，还要经过整流栅，进一步提高混合的程度
保证在催化床层水平断面上气流均匀分配
一般催化剂床层为2-4层，并预留一层的位置
我们这里看到的是3层催化剂加1层备用层
备用层作为将来脱硝效率低于需要值时增装催化剂使用
在SCR系统中，催化剂的投资占了整个系统投资的较大比例
并且催化剂的寿命一般在2-3年左右
催化剂的更换频率直接影响到SCR的运行成本
因此催化剂的选择是SCR系统的重点
可用于SCR脱硝的催化剂有贵金属催化剂
金属氧化物催化剂和沸石催化剂
其中氧化钛不仅具有较大的比表面积
还有助于抑制二氧化硫的转化
因此，目前工程中应用最多的SCR催化剂是氧化钛基催化剂
这里给出了两种SCR催化剂
可以看出，两种催化剂均以氧化钛为载体
以五氧化二钒为主要活性组分
在催化剂中加入11%的WO3
可以提高催化剂的活性和热稳定性
加入12.9%的MoO3，在提高催化剂活性的同时
还可以防止烟气中的砷导致催化剂中毒
实际应用的催化剂主要有板式和蜂窝式
从图上我们可以看出这两种型式几何形状的差异
板式催化剂采用不锈钢板材做基材
涂覆催化剂载体和活性成分
蜂窝式催化剂则是整体挤压成型
载体和活性成分在催化剂内是均匀分布的
这个表给出了板式和蜂窝式催化剂性能的比较
一般板式催化剂的通道比蜂窝的大，几何弯角少
所以它的抗磨损能力和抗堵塞性能更好
烟气阻力也更小
蜂窝式催化剂的优点是比表面积大，所以净化相同烟气
需要的催化剂体积小，节约了成本
此外，蜂窝式的抗热冲击能力和可再生性也更好
催化剂由于长期暴露在高温含有污染物的烟气中
常常会发生表面烧结、中毒、结垢和堵塞等问题
比如，烟气温度变化，会使催化剂烧结
导致催化剂颗粒增大、表面积减小、活性降低
这个问题目前已经可以通过钨退火处理来解决
第二个问题是催化剂中毒
一方面，烟气中的钠、钾等碱金属化合物
如果直接和催化剂表面接触
由于钠、钾等碱金属化合物的碱性比氨大
它们会和催化剂的活性成分反应，造成催化剂的中毒
为了防止催化剂中毒
我们一般要求灰分中Na2O<1.0%, K2O<3.0%
另一方面，烟气中的三氧化二砷扩散到催化剂表面和微孔中
在催化剂的活性位置和其他物质发生反应
也会引起催化剂活性降低
为避免砷中毒，一般要求煤中砷浓度低于5mg/kg
飞灰中的氧化钙和氧化镁和三氧化硫发生反应
生成硫酸钙和硫酸镁，会沉积在催化剂表面
此外，三氧化硫和氨反应，生成硫酸铵和硫酸氢铵
以及烟气中小颗粒烟尘的沉积，都会造成催化剂孔道堵塞
降低催化剂的活性
这些反应都和三氧化硫有关
因此在SCR脱硝过程中，二氧化硫的氧化率越低越好
一般来说，SCR催化剂的使用寿命大于24000小时
工程上催化剂寿命的管理并不是
某层催化剂活性降低到什么数值以下就更换
二是根据整个反应器的脱硝效率进行综合管理
这里给出了催化剂管理的一个例子
假设采用两层催化剂加一层备用层的布置方案
保证氨泄漏率小于3%时的脱硝效率大于80%
初投运时，脱硝效率大于80%，3年之后
催化剂效率降低到80%以下
这时通过安装备用催化剂层，使脱硝效率大于80%
6年以后，脱硝效率再次价格低到80%
就需要更换一层催化剂，使脱硝效率大于80%
以后大致每3年更换一层催化剂
除催化剂外，一些操作参数也会影响到脱硝效率
第一个影响因素是温度
这张图给出了NOx转化率随温度的变化
提高温度能改进NOx的还原，但当温度进一步提高
氧化反应变得越来越快， NOx去除效率反而会下降
不同催化剂具有不同的操作温度范围
贵金属催化剂的最佳操作温度为175-290 度
金属氧化物催化剂在260-450度下脱硝效果最好
沸石催化剂通常可在更高的温度下操作
第二个影响因素是氨氮摩尔比
氨氮摩尔比在0.95左右，脱硝效率可以达到90%
继续提高氨氮摩尔比，脱硝效率增加不大
反而会导致氨的逃逸率上升
一般氨逃逸应该控制在2.5mg/m3以下
第三个影响因素是停留时间
一般来说，烟气在反应器的停留时间越长，脱硝效率越高
但停留时间过长，不仅意味着催化剂用量大
而且由于发生氨的氧化反应，脱硝效率反而有所下降
一般来说，最佳停留时间在100-200ms左右
最后，我们来总结一下SCR技术的特点
SCR技术工艺成熟
目前已经广泛应用在燃煤、燃油和燃气锅炉当中
它的脱硝效率可以达90-95%，并且氨泄漏量低
它的缺点是投资及运行费用高
存在催化剂中毒问题以及氨储存和运输的安全性问题
这一讲的内容就到这里，谢谢大家
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
-6-1 重力沉降室
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
-6-2 旋风除尘器
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
-6-5 电除尘器的结构和设计
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
-6-6 袋式除尘器的工作原理
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
-6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
-6-8 袋式除尘器的设计和应用
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
-6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
-6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
-6-11 除尘器的选择与发展
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
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-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
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-Lecture 02
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-Conversation
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