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摘 要：就目前我国的环境监测来看，火电厂锅炉烟气排放占到环境污染源第一位，它所排放的NOx与SO2等氮氧化物也是形成城市雾霾的主要原因。近年来，国家环保部门也频频出台政策对火电厂的烟气排放标准进行严格限制，其厂内必须加装烟气脱硝装置以净化所排放烟气中的污染物质含量。目前在国内，脱硝设备及技术也是多种多样的，本文所主要介绍的是SCR烟气脱硝技术，并基于技术设备改造分析了它对烟气脱硝的优化过程。
关键词：SCR烟气脱硝 火电厂 工艺优化 氮氧转化率
一、SCR烟气脱硝法
1.相关化学反应。SCR（selctivc catalytic reduction）即为选择性催化还原烟气脱硝法，它是上世纪80年代针对燃煤锅炉中所产生NOx烟气脱除而出现的脱硝工艺。从化学反应层面来看，SCR法所采用的是基于金属催化剂作用的还原反应，它利用还原剂NH3将烟气中的NOx有选择性的还原成H20和N2，它的化学反应机理如下：
首先针对尿素热解反应实施：
CO（NH2）2→NH3+HNCO
HNCO+H2O→NH3+CO2
尿素→异氰酸
异氰酸+水→氨+二氧化碳
根据以上反应得出以下催化反应：
4NH3+4NO+O2→4N+6H2O
4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O
在上述一系列反应中，尿素的热解反应最为重要，因为锅炉烟气中有近97%以上都是NOx，所以如果在没有任何催化剂的情况下，催化反应就只能在很高的温度范围内实施（980℃～1000℃）。所以只有选择合适的催化剂才能起到降低反应温度的效果。
2.SCR烟气脱硝系统的工艺流程。在SCR烟气脱硝系统中主要包含了催化剂、反应器、热解系统、喷氨格栅、尿素计量分配装置、尿素溶解及贮存系统和风稀释系统，它的具体技术工艺流程如图1所示。
在这套催化反应系统中，未经过脱硝的烟气会从锅炉的出口高温省煤器中放出并穿过喷氨格栅，而喷氨格栅本身也会释出NH3伴随烟气一起进入SCR入口烟道。混合后的两种气体在经过催化剂层并在催化作用下，烟气中的NOx将被NH3还原，最终生成H2O和N2，完成脱硝过程。脱硝后烟气还会继续进入低温省煤器与空预器入口，再经过脱硫系统、引风机和除尘器的二次处理后被送往烟囱主烟道并最终排放出去。
3.对SCR脱硝法产生影响的性能因素分析。
3.1脱硝催化剂。在SCR脱硝法中，脱硝催化剂最为重要，它在整体脱硝装置中的投资成本要占到总投资的40%以上。为火电厂锅炉配备的一般为高温催化剂，它的催化载体为TiO2，其中的主要成分包括了WO3、V2O5等金属氧化物，它们占据了催化剂95%以上的成分比例。之所以选择高温催化剂是因为它的高脱硝效率和高反应温度（400℃），对大型火电厂锅炉而言，高温催化剂几乎是必不可少的脱硝反应元素。为了达到高温催化剂的反应需求，要将SCR脱硝反应器安置于锅炉的高温空气预热器以及省煤器中间。如此设计的另一个原因还在于高温空气预热器与省煤器所处区域也是烟气含尘量最大的区域，所以为了避免粉尘对于催化剂性能的负面影响，一定要在此区域配备脱硝反应器以保护催化剂的脱硝性能。
3.2烟气的温度。在SCR脱硝过程中，烟气的温度决定了催化还原反应的速率，对催化剂的活性也有很大影响。如果烟气温度能维持在350℃～390℃，那么催化剂的活性将达到最高水平。待到烟气温度下降到硫酸氢铵的露点温度230℃时，所加入的NH3还原剂与烟气中的SO2反应生成新的硫酸氢铵，它会被冷凝于催化剂中，此时的催化剂就会暂时失去活性。而如果烟气温度过高高于400℃时，NH3还原剂就会与O2反应最终生成NOx，这样不利于脱硝效果的发挥。所以在火电厂锅炉的燃用设计方面，必须将入口烟气的温度控制在320℃～390℃之间。
3.3SO2与SO3之间的转化率。SO2与SO3之间的转化率是指当烟气流经脱硝装置被处理后，烟气中两种物质的转化比率。在转化过程中，V2O5催化剂是最关键的活性物质，它能表现出较为出色的脱硝效率。从化学转化角度讲，两种气体之间的转化率与温度相关，如果烟气温度降至220℃以下，而且附着水蒸气，SO3就会与NH3还原剂反应生成硫酸氢铵，硫酸氢铵在经过沉积附着于催化剂表面后就会造成催化剂的堵塞。所以不但要保证烟气脱硝反应过程中对温度的控制（220℃～390℃），还要使SO2与SO3之间的转化率小于1%。
二、火电厂锅炉烟气脱硝改造的具体方案
火电厂锅炉烟气脱硝基于SCR法展开，本文主要介绍一下SCR烟气脱硝系统中烟道系统、反应器以及催化剂模块的改造设计。
1.烟道系统改造设计。烟道系统是烟气脱硝流程的必經之处，一般对它的系统改造分两路进行，确保每一路烟气都能进入垂直布置的SCR反应器中。在反应器中还要设置控制烟气的催化剂层、均流器、回转式空气预热器、引风机以及静电除尘器，目的就是为了确保最后处理过的脱硝烟气能顺利从烟囱排放到大气中。在烟道改造过程中还要考虑烟道自重、保温总量、灰尘累积重量与地震风雨所带来的自然荷载，因此选用Q235和Q345来制作烟道壁以及其内支撑结构，并确保壁厚不能小于5mm。另外，为了确保烟道连接设备能够在可承受的受力荷载范围内，还考虑了烟道系统的热膨胀效应，主要依靠非金属膨胀节与焊接方式来对烟道系统进行相应补偿，使烟道的瞬间抗暴压力保证在±9000pa左右，而压力保证在±5300Pa。
2.反应器改造设计。SCR反应器的改造设计要确保其与周边设备的协调统一，在改造过程中为反应器的出入口设置导流板，并在入口位置设置气流均布装置以及反应器内部防磨损措施。另外为了防止反应器内部支架与加强板出现积灰现象，还要为反应内部设置不容易积灰的横向长方形支持钢梁。在反应器的入口处要设置气流均布装置，并且同时在出入口段设置导流板、静态混合器、整流装置等等，保证其能够承受来自于反应器、烟道自重、灰尘累积重量、地震和与风雨所带来的共同荷载。再者，在改造优化过程中还要为每个反应器出口设置氨逃逸在线检测装置，以确保实时测量氨的逃逸浓度。最后是烟气取样点的设置与布置，一般在反应器的喷氨格栅、催化器的出入口进行设置，它的具体布局要符合两点要求：第一，要将烟气取样点布置于催化剂层的底部，并同时布置氮氧化物抽气测点，其测点点间距离保证在1～1.2m左右；第二，要在催化剂的最底部布置永久氮氧化物抽气测点，该测点的点间距离也要保证在1～1.2m距离左右。
3.催化剂模块设计。基于SCR法改造的催化剂模块设计应该采用蜂窝式催化剂，它的关键活性成分包括V2O5、WO3等等，而催化剂模块本身则采用“2+1”的层次设计结构。其中的2层表示催化剂设计层，而1层则表示催化剂的预留层。考虑到反应器在首次运行过程中装填了2层催化剂，经过一段时间运行后催化剂的活性会逐渐降低，所以当催化剂活性低于设定值时就要继续装填剩余的1层预留层，再根据以后催化剂的使用程度与活性衰减程度来判断对催化剂的更换，稳定使用确保对催化剂使用周期的延长。
三、结语
对大型火电厂锅炉运行来说，SCR脱硝系统的烟气处理起到了关键作用。因此在以后的研究中，对脱硝率的提升、对锅炉负荷段的最佳运行状态把握以及对氨逃逸率的降低将成为整个课题的关键所在。
参考文献：
[1]王瑜.SCR法烟气脱硝系统在660MW火电机组中的应用[D].华北电力大学（北京），2013.13-19.
[2]刘栓联.浅析火电厂锅炉烟气脱硝SCR法改造的应用现状[J].科学中国人，2015，25.
关键词：SCR烟气脱硝 火电厂 工艺优化 氮氧转化率
一、SCR烟气脱硝法
1.相关化学反应。SCR（selctivc catalytic reduction）即为选择性催化还原烟气脱硝法，它是上世纪80年代针对燃煤锅炉中所产生NOx烟气脱除而出现的脱硝工艺。从化学反应层面来看，SCR法所采用的是基于金属催化剂作用的还原反应，它利用还原剂NH3将烟气中的NOx有选择性的还原成H20和N2，它的化学反应机理如下：
首先针对尿素热解反应实施：
CO（NH2）2→NH3+HNCO
HNCO+H2O→NH3+CO2
尿素→异氰酸
异氰酸+水→氨+二氧化碳
根据以上反应得出以下催化反应：
4NH3+4NO+O2→4N+6H2O
4NH3+2NO+O2→3N2+6H2O
在上述一系列反应中，尿素的热解反应最为重要，因为锅炉烟气中有近97%以上都是NOx，所以如果在没有任何催化剂的情况下，催化反应就只能在很高的温度范围内实施（980℃～1000℃）。所以只有选择合适的催化剂才能起到降低反应温度的效果。
2.SCR烟气脱硝系统的工艺流程。在SCR烟气脱硝系统中主要包含了催化剂、反应器、热解系统、喷氨格栅、尿素计量分配装置、尿素溶解及贮存系统和风稀释系统，它的具体技术工艺流程如图1所示。
在这套催化反应系统中，未经过脱硝的烟气会从锅炉的出口高温省煤器中放出并穿过喷氨格栅，而喷氨格栅本身也会释出NH3伴随烟气一起进入SCR入口烟道。混合后的两种气体在经过催化剂层并在催化作用下，烟气中的NOx将被NH3还原，最终生成H2O和N2，完成脱硝过程。脱硝后烟气还会继续进入低温省煤器与空预器入口，再经过脱硫系统、引风机和除尘器的二次处理后被送往烟囱主烟道并最终排放出去。
3.对SCR脱硝法产生影响的性能因素分析。
3.1脱硝催化剂。在SCR脱硝法中，脱硝催化剂最为重要，它在整体脱硝装置中的投资成本要占到总投资的40%以上。为火电厂锅炉配备的一般为高温催化剂，它的催化载体为TiO2，其中的主要成分包括了WO3、V2O5等金属氧化物，它们占据了催化剂95%以上的成分比例。之所以选择高温催化剂是因为它的高脱硝效率和高反应温度（400℃），对大型火电厂锅炉而言，高温催化剂几乎是必不可少的脱硝反应元素。为了达到高温催化剂的反应需求，要将SCR脱硝反应器安置于锅炉的高温空气预热器以及省煤器中间。如此设计的另一个原因还在于高温空气预热器与省煤器所处区域也是烟气含尘量最大的区域，所以为了避免粉尘对于催化剂性能的负面影响，一定要在此区域配备脱硝反应器以保护催化剂的脱硝性能。
3.2烟气的温度。在SCR脱硝过程中，烟气的温度决定了催化还原反应的速率，对催化剂的活性也有很大影响。如果烟气温度能维持在350℃～390℃，那么催化剂的活性将达到最高水平。待到烟气温度下降到硫酸氢铵的露点温度230℃时，所加入的NH3还原剂与烟气中的SO2反应生成新的硫酸氢铵，它会被冷凝于催化剂中，此时的催化剂就会暂时失去活性。而如果烟气温度过高高于400℃时，NH3还原剂就会与O2反应最终生成NOx，这样不利于脱硝效果的发挥。所以在火电厂锅炉的燃用设计方面，必须将入口烟气的温度控制在320℃～390℃之间。
3.3SO2与SO3之间的转化率。SO2与SO3之间的转化率是指当烟气流经脱硝装置被处理后，烟气中两种物质的转化比率。在转化过程中，V2O5催化剂是最关键的活性物质，它能表现出较为出色的脱硝效率。从化学转化角度讲，两种气体之间的转化率与温度相关，如果烟气温度降至220℃以下，而且附着水蒸气，SO3就会与NH3还原剂反应生成硫酸氢铵，硫酸氢铵在经过沉积附着于催化剂表面后就会造成催化剂的堵塞。所以不但要保证烟气脱硝反应过程中对温度的控制（220℃～390℃），还要使SO2与SO3之间的转化率小于1%。
二、火电厂锅炉烟气脱硝改造的具体方案
火电厂锅炉烟气脱硝基于SCR法展开，本文主要介绍一下SCR烟气脱硝系统中烟道系统、反应器以及催化剂模块的改造设计。
1.烟道系统改造设计。烟道系统是烟气脱硝流程的必經之处，一般对它的系统改造分两路进行，确保每一路烟气都能进入垂直布置的SCR反应器中。在反应器中还要设置控制烟气的催化剂层、均流器、回转式空气预热器、引风机以及静电除尘器，目的就是为了确保最后处理过的脱硝烟气能顺利从烟囱排放到大气中。在烟道改造过程中还要考虑烟道自重、保温总量、灰尘累积重量与地震风雨所带来的自然荷载，因此选用Q235和Q345来制作烟道壁以及其内支撑结构，并确保壁厚不能小于5mm。另外，为了确保烟道连接设备能够在可承受的受力荷载范围内，还考虑了烟道系统的热膨胀效应，主要依靠非金属膨胀节与焊接方式来对烟道系统进行相应补偿，使烟道的瞬间抗暴压力保证在±9000pa左右，而压力保证在±5300Pa。
2.反应器改造设计。SCR反应器的改造设计要确保其与周边设备的协调统一，在改造过程中为反应器的出入口设置导流板，并在入口位置设置气流均布装置以及反应器内部防磨损措施。另外为了防止反应器内部支架与加强板出现积灰现象，还要为反应内部设置不容易积灰的横向长方形支持钢梁。在反应器的入口处要设置气流均布装置，并且同时在出入口段设置导流板、静态混合器、整流装置等等，保证其能够承受来自于反应器、烟道自重、灰尘累积重量、地震和与风雨所带来的共同荷载。再者，在改造优化过程中还要为每个反应器出口设置氨逃逸在线检测装置，以确保实时测量氨的逃逸浓度。最后是烟气取样点的设置与布置，一般在反应器的喷氨格栅、催化器的出入口进行设置，它的具体布局要符合两点要求：第一，要将烟气取样点布置于催化剂层的底部，并同时布置氮氧化物抽气测点，其测点点间距离保证在1～1.2m左右；第二，要在催化剂的最底部布置永久氮氧化物抽气测点，该测点的点间距离也要保证在1～1.2m距离左右。
3.催化剂模块设计。基于SCR法改造的催化剂模块设计应该采用蜂窝式催化剂，它的关键活性成分包括V2O5、WO3等等，而催化剂模块本身则采用“2+1”的层次设计结构。其中的2层表示催化剂设计层，而1层则表示催化剂的预留层。考虑到反应器在首次运行过程中装填了2层催化剂，经过一段时间运行后催化剂的活性会逐渐降低，所以当催化剂活性低于设定值时就要继续装填剩余的1层预留层，再根据以后催化剂的使用程度与活性衰减程度来判断对催化剂的更换，稳定使用确保对催化剂使用周期的延长。
三、结语
对大型火电厂锅炉运行来说，SCR脱硝系统的烟气处理起到了关键作用。因此在以后的研究中，对脱硝率的提升、对锅炉负荷段的最佳运行状态把握以及对氨逃逸率的降低将成为整个课题的关键所在。
参考文献：
[1]王瑜.SCR法烟气脱硝系统在660MW火电机组中的应用[D].华北电力大学（北京），2013.13-19.
[2]刘栓联.浅析火电厂锅炉烟气脱硝SCR法改造的应用现状[J].科学中国人，2015，25.