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摘 要：本文主要介绍了SCR烟气脱硝的反应动力过程，分析、探讨各种因素影响脱硝效率的机理，为优化脱硝系统运行、提高NOx的脱除率提供必要的理论依据。
关键词：SCR脱硝系统；脱硝效率
中图分类号：TK314 文献标识码：A
1、前言
随着中国经济的快速发展，环境保护问题日益突显，节能环保已经成为经济可持续发展的重要研究课题。燃煤电厂作为经济发展的能源供给者，它所排放的NOx、SO2总量正逐年增加，对环境的影响范围逐步扩大，因此国家在2011年颁布的《火电厂大气污染物排放标准》中要求所有燃煤机组2015年年底前完成烟气脱硝改造、对于新建机组及重点区域的机组控制氮氧化物排放量小于100mg/Nm3。本文将结合电厂脱硝系统的实际运行情况，详尽分析影响SCR脱硝效率的各种机理。
2、SCR烟气脱硝的反应动力过程
当前，SCR反应动力学的研究方法主要有经验方法和机理模型方法。根据SCR脱硝的反应过程可以建立脱硝反应模型，常见的吸附与脱附的模型结构有Langmiur模型和Eley-Rideal模型。这个模型所描述的反应过程大致如下：首先经烟气整流器后烟气中的NOx、NH3和O2扩散到催化剂的外表面，并进一步向催化剂的微孔表面进行扩散。此后气相中的NOx和O2和被吸附在催化剂表面的NH3发生催化还原反应，生成的N2和H2O从催化剂的表面上脱附到微孔内，向催化剂外表面扩散，最终被主流气体携带离开催化剂外表面，完成整个脱硝过程。
3、SCR脱硝效率的影响机理分析
脱硝效率即为反应器对NOx的脱除效率，定义为反应器进、出口的NOx的浓度差值与反应器进口NOx浓度的比值。其数学表达式可以定义为：
η=（1-CeNOx/CiNOx）
通过SCR脱硝过程的动力学研究，发现在SCR脱硝工艺中，影响脱除效率的因素有很多：反应温度、反应时间、NH3/NOx摩尔比、催化剂性能、烟气流量、NOx的进口濃度、烟气与催化剂的接触时间以及催化剂的体积等。
3.1反应温度对脱硝效率的影响
在脱硝反应中反应温度存在着两种不同的影响趋势，存在一个最佳反应温度值使得脱硝效率在相应运行工况下有最大值，当烟气温度高于此最佳反应温度过多时，将造成催化剂的表面通道与微孔发生物理变形，使得有效反应的面积减少，同时烟气温度过高还会加速催化剂的老化，降低脱硝效率；当烟温过低时，NH3和NO2反应生成NH4NO3，作为副反应产物的NH4NO3会堵塞催化剂的微孔及通道，阻碍催化反应的正常进行，降低脱硝效率。因此，某电厂高温高尘布置的SCR脱硝工艺中采用319～380℃作为反应温度（设计烟气温度为362℃），以保证较高的脱硝效率和催化剂的寿命。
3.2 NH3/NOx摩尔比和混合效果对脱硝效率的影响
NH3/NOx摩尔比对脱硝效率的影响趋势也有两种：当NH3/NOx摩尔比较小时，尤其是小于1时，随着NH3量的增加，脱硝效率明显提高，这是因为此时NH3与NOx的反应为一级反应，其反应方程式为：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
氨气量的增加使得反应平衡向反应正方向移动，由于增加了单位容积催化剂上NH3的吸附量，从而提高了过渡态化合物的浓度，加快了脱硝的反应速度；而当NH3/NOx摩尔比增大到一定程度时，脱硝效率反而随着NH3/NOx摩尔比的增加而降低，这是因为NH3的投入量超过了NH3在催化剂表面吸附的动态平衡容量，部分NH3的氧化副反应的反应速率增大，例如在350℃以上NH3氧化为NO的副反应：
4NH3+5O2→4NO+6H2O+907.3kJ
从而降低了脱硝效率，同时未转化的NH3的逃逸量也增大了，不仅会造成二次污染，还会与烟气中的SO3反应生成（NH4）2SO4和（NH4）HSO4，在下游设备凝结导致设备的堵塞积灰。因此，注氨量应严格控制，根据进口NOx的浓度值进行合理调整，通常NH3/NOx摩尔比选择为1.2以下。
为了提高脱硝效率，除了要保证合适的NH3/NOx摩尔比以外，还要有很好的混合效果。脱硝系统采用合理的氨、空气混合系统，入口烟道的氨喷射系统设置了流量调节阀，调节注氨量以适应不同的负荷工况，提高NH3/NOx的混合效果，并且采用反应器声波吹灰系统降低SCR反应器的阻力，提高NOx的脱除率。在脱硝系统投运前，通过对入口烟道NH3/NOx混合后的空气流场进行试验和分析（现多采用CFD方法建立流场模型），根据所得数值模拟结果来调试烟道入口导流板角度，以达到改变流场分布的目的，优化脱硝系统，提高脱硝效率。
3.3催化剂中V2O5含量及催化剂体积对脱硝效率的影响
催化剂中V2O5含量对脱硝效率的影响也存在着最佳含量值，当V2O5含量在一定范围内时，V2O5是以等轴聚合的钒基存在的，并且均匀的分布在TiO2载体上的，所以催化效果较强；而当V2O5含量超过这一范围时，V2O5将在TiO2载体上形成新的V2O5微晶区，造成V2O5在催化剂中分布的不均匀，因而影响了催化效果，降低了脱硝的效率。
在反应器中催化剂的体积越大，则相同条件下NOx与NH3反应的有效面积增大，脱硝效率提高，同时氨的逸出量也变小，然而代价是提高了反应器的工艺费用。
结论
SCR烟气脱硝技术在全国燃煤电厂中应用广泛，本文对SCR脱硝系统脱硝效率各种影响机理进行浅析，探索脱硝系统运行中提高NOx的脱除率的有效途径，以达到脱硝系统的优化运行。随着国家环保标准的提高，进一步提高NOx的脱除率十分必要。■
关键词：SCR脱硝系统；脱硝效率
中图分类号：TK314 文献标识码：A
1、前言
随着中国经济的快速发展，环境保护问题日益突显，节能环保已经成为经济可持续发展的重要研究课题。燃煤电厂作为经济发展的能源供给者，它所排放的NOx、SO2总量正逐年增加，对环境的影响范围逐步扩大，因此国家在2011年颁布的《火电厂大气污染物排放标准》中要求所有燃煤机组2015年年底前完成烟气脱硝改造、对于新建机组及重点区域的机组控制氮氧化物排放量小于100mg/Nm3。本文将结合电厂脱硝系统的实际运行情况，详尽分析影响SCR脱硝效率的各种机理。
2、SCR烟气脱硝的反应动力过程
当前，SCR反应动力学的研究方法主要有经验方法和机理模型方法。根据SCR脱硝的反应过程可以建立脱硝反应模型，常见的吸附与脱附的模型结构有Langmiur模型和Eley-Rideal模型。这个模型所描述的反应过程大致如下：首先经烟气整流器后烟气中的NOx、NH3和O2扩散到催化剂的外表面，并进一步向催化剂的微孔表面进行扩散。此后气相中的NOx和O2和被吸附在催化剂表面的NH3发生催化还原反应，生成的N2和H2O从催化剂的表面上脱附到微孔内，向催化剂外表面扩散，最终被主流气体携带离开催化剂外表面，完成整个脱硝过程。
3、SCR脱硝效率的影响机理分析
脱硝效率即为反应器对NOx的脱除效率，定义为反应器进、出口的NOx的浓度差值与反应器进口NOx浓度的比值。其数学表达式可以定义为：
η=（1-CeNOx/CiNOx）
通过SCR脱硝过程的动力学研究，发现在SCR脱硝工艺中，影响脱除效率的因素有很多：反应温度、反应时间、NH3/NOx摩尔比、催化剂性能、烟气流量、NOx的进口濃度、烟气与催化剂的接触时间以及催化剂的体积等。
3.1反应温度对脱硝效率的影响
在脱硝反应中反应温度存在着两种不同的影响趋势，存在一个最佳反应温度值使得脱硝效率在相应运行工况下有最大值，当烟气温度高于此最佳反应温度过多时，将造成催化剂的表面通道与微孔发生物理变形，使得有效反应的面积减少，同时烟气温度过高还会加速催化剂的老化，降低脱硝效率；当烟温过低时，NH3和NO2反应生成NH4NO3，作为副反应产物的NH4NO3会堵塞催化剂的微孔及通道，阻碍催化反应的正常进行，降低脱硝效率。因此，某电厂高温高尘布置的SCR脱硝工艺中采用319～380℃作为反应温度（设计烟气温度为362℃），以保证较高的脱硝效率和催化剂的寿命。
3.2 NH3/NOx摩尔比和混合效果对脱硝效率的影响
NH3/NOx摩尔比对脱硝效率的影响趋势也有两种：当NH3/NOx摩尔比较小时，尤其是小于1时，随着NH3量的增加，脱硝效率明显提高，这是因为此时NH3与NOx的反应为一级反应，其反应方程式为：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O
氨气量的增加使得反应平衡向反应正方向移动，由于增加了单位容积催化剂上NH3的吸附量，从而提高了过渡态化合物的浓度，加快了脱硝的反应速度；而当NH3/NOx摩尔比增大到一定程度时，脱硝效率反而随着NH3/NOx摩尔比的增加而降低，这是因为NH3的投入量超过了NH3在催化剂表面吸附的动态平衡容量，部分NH3的氧化副反应的反应速率增大，例如在350℃以上NH3氧化为NO的副反应：
4NH3+5O2→4NO+6H2O+907.3kJ
从而降低了脱硝效率，同时未转化的NH3的逃逸量也增大了，不仅会造成二次污染，还会与烟气中的SO3反应生成（NH4）2SO4和（NH4）HSO4，在下游设备凝结导致设备的堵塞积灰。因此，注氨量应严格控制，根据进口NOx的浓度值进行合理调整，通常NH3/NOx摩尔比选择为1.2以下。
为了提高脱硝效率，除了要保证合适的NH3/NOx摩尔比以外，还要有很好的混合效果。脱硝系统采用合理的氨、空气混合系统，入口烟道的氨喷射系统设置了流量调节阀，调节注氨量以适应不同的负荷工况，提高NH3/NOx的混合效果，并且采用反应器声波吹灰系统降低SCR反应器的阻力，提高NOx的脱除率。在脱硝系统投运前，通过对入口烟道NH3/NOx混合后的空气流场进行试验和分析（现多采用CFD方法建立流场模型），根据所得数值模拟结果来调试烟道入口导流板角度，以达到改变流场分布的目的，优化脱硝系统，提高脱硝效率。
3.3催化剂中V2O5含量及催化剂体积对脱硝效率的影响
催化剂中V2O5含量对脱硝效率的影响也存在着最佳含量值，当V2O5含量在一定范围内时，V2O5是以等轴聚合的钒基存在的，并且均匀的分布在TiO2载体上的，所以催化效果较强；而当V2O5含量超过这一范围时，V2O5将在TiO2载体上形成新的V2O5微晶区，造成V2O5在催化剂中分布的不均匀，因而影响了催化效果，降低了脱硝的效率。
在反应器中催化剂的体积越大，则相同条件下NOx与NH3反应的有效面积增大，脱硝效率提高，同时氨的逸出量也变小，然而代价是提高了反应器的工艺费用。
结论
SCR烟气脱硝技术在全国燃煤电厂中应用广泛，本文对SCR脱硝系统脱硝效率各种影响机理进行浅析，探索脱硝系统运行中提高NOx的脱除率的有效途径，以达到脱硝系统的优化运行。随着国家环保标准的提高，进一步提高NOx的脱除率十分必要。■