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选择性催化还原废气脱硝技术及应用-VOC回收技

光博环保 2017-06-10
废气脱硝是目前发达国家普遍采用的减少Nox排放的方法,应用较多的有选择性催化还原法(Selectivecatalyticreduction,简称SCR)、选择性非催化还原法(Selectivenon-catalyticreduction,以下简称SNCR)。SCR的脱硝率可达90%以上。SCR的发明权属于美国,而日本率先于20世纪70年代实现其商业化应用。目前该技术在发达国家已经得到了比较广泛的应用。日本有93%以上的废气脱硝采用SCR,运行装置超过300套。德国于20世纪80年代引进该技术,并规定发电量50MW以上的电厂都得配备SCR装置。台湾有100套以上的SCR装置在运行。大庆石化总厂化肥厂、川化集团公司、北京燕山石化公司合成橡胶厂和福建漳州电厂等也从国外引进了SCR装置。
1技术原理
 有多种还原剂(CH4、H2、CO和NH3)可以将Nox还原成N2,尤其是NH3可以按下式选择性地和Nox反应:
 4NH3+4NO+O2=4N2+6H2O(1)
 8NH3+6NO2=7N2+12H2O(2)
 通过使用适当的催化剂,上述反应可以在200~450℃的范围内有效进行。在NH3/Nox为1(摩尔比)的条件下,可以得到80%~90%的脱硝率。在反应过程中,NH3有选择性地和Nox反应生成N2和H2O,而不是被O2所氧化。
 2工艺流程
 SCR废气脱硫装置的工艺流程如图1所示,主要由氨气供应系统、氨气控制系统、催化剂、排气系统、预热系统和反应器等组成。液氨由槽车运送到液氨储罐,液氨储槽输出的液氨在蒸发器内蒸发为氨气,并将氨气加热到常温后,送到氨气缓冲罐备用。氨气缓冲罐的氨气经调压阀减压后,通过喷氨格栅的喷嘴喷入废气中与废气混合,再经静态混合器充分混合后进入催化反应器。当废气温度低时,预热系统用来加热废气。达到反应温度且与氨气充分混合的废气流经SCR反应器的催化层时,氨气与Nox发生催化氧化还原反应,将Nox还原为无害的N2和H2O。
3运行控制
 3.1催化剂的活性
 催化剂是SCR技术的核心,其形状一般为板式或蜂窝式。由于蜂窝式催化剂优良的耐久性、耐腐性、高可靠性,高反复利用率、低压降,故使用的较广泛。常用的催化剂主要成分为V2O5/TiO2。蜂窝式催化剂的断面尺寸一般为:150mm×150mm;长度400mm~1000mm。SCR装置的运行成本在很大程度上取决于催化剂的寿命。其使用寿命又取决于催化剂活性的衰减速度。催化剂的失活分为物理失活和化学失活。典型的SCR催化剂化学失活主要是碱金属(如Na、K、Ca等)和重金属(如As、Pt、Pb等)引起的催化剂中毒。碱金属吸附在催化剂的毛细孔表面,金属氧化物(如MgO、KaO等)中和催化剂表面的SO3生成硫化物而造成催化剂中毒。砷中毒是废气中的三氧化二砷与催化剂结合引起的。催化剂物理失活主要是指高温烧结、磨损和固体颗粒沉积堵塞而引起催化剂活性破坏。
 SCR系统所出现的磨损和堵塞可以通过反应器的优化设计(设置自动的导流叶片装置,倒转氨的喷射方向使之与流动方向相反)加以缓解。如果废气中有粉尘,为了保证催化剂表面的洁净,在反应器中安装吹灰器是很有必要的。
 如果废气中含有能使催化剂中毒的固体颗粒物,则废气需进行预处理,比如采用静电除尘、加入脱砷剂等,去除催化剂毒物级固体颗粒物,避免催化剂中毒。
3.2反应温度
 不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度范围下限时,在催化剂上会发生副反应,NH3与SO3和H2O反应生成(NH4)2SO4或NH4HSO4,减少与Nox的反应,生成物附着在催化剂表面,堵塞催化剂的通道和微孔,降低催化剂的活性。另外,如果反应温度高于催化剂的适用温度,催化剂通道和微孔发生变形,导致有效通道和面积减少,从而使催化剂失活。温度越高催化剂失活越快。
 根据催化剂的适用温度范围,SCR工艺可分为高温(345~590℃)、中温(260~450℃)和低温工艺(150~280℃)。
 3.3氨气输入量和混合
 还原剂NH3的用量一般根据期望达到的脱硝效率,通过设定NH3和Nox的摩尔比来控制。催化剂的活性不同,达到相同转化率所需要的NH3/Nox摩尔比不同。各种催化剂都有一定的NH3/Nox摩尔比范围,当摩尔比是较小时,NH3和Nox的反应不完全,Nox的转化率低;当摩尔比超过一定范围时,Nox的转化率不再增加,造成还原剂NH3的浪费,泄漏量增大,造成二次污染。
 NH3与废气的混合程度也十分重要,如混合不均,即使输入量不大,NH3和Nox也不能充分反应,不仅不能到达有效脱硝的目的,还会增加Nox的泄漏量。当速度分布均匀,流动方向调整得当时,Nox转化率、液氨泄漏量及催化剂的寿命才能得到保证。采用合理的喷嘴格栅,并为NH3和废气提供足够长的混合通道,是使NH3和废气均匀混合的有效措施。
 3.4NOx的在线监测
 由于喷氨量及Nox排放浓度均根据Nox在线监测仪表的指示值来控制,因此Nox在线监测仪表的准确性至关重要,直接关系到催化脱硝装置的运行效益、Nox的排放浓度、液氨泄漏量等指标的高低。为此,Nox在线监测仪表需要设置专业人员进行维护、保养、校验与检修。
4工业应用
 SCR废气脱硝技术在工业锅炉、燃气/燃油锅炉、柴油机、垃圾焚烧炉、工业窑炉、化工厂等烟气脱销处理中都得到成功应用。
 某电厂燃煤烟气SCR法处理装置的工艺设计参数见表1。该装置1999年投运至今,运行状况良好,各项指标完全达到设计性能要求。
 表1SCR法处理燃煤烟气装置工艺设计参数
某化工厂用SCR法处理硝酸尾气装置的工艺设计参数见表2。该装置1993年投入运行,脱硝效率达到93%以上,净化尾气达到排放标准,环境与社会效益显著。
 表2SCR法处理硝酸尾气装置工艺设计数
5结语
 SCR法是一项可靠有效的废气脱硝技术。目前,该法在我国大陆的应用还较少,除了SCR装置投资较高外,专业研究机构少也是一个重要原因。脱硝催化剂的研究开发是SCR法应用的关键,希望从事催化剂研究的单位能够尽快开发出性能优良、符合我国国情的脱硝催化剂。

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