文 献 综 述

一、 研究的目的与意义

随着我国经济的不断发展，能源消费越来越多，随之带来的环境污染问题也越来越严重。目前，煤炭在我国能源结构中占主体地位。燃煤排放的二氧化硫及氮氧化物是造成大气污染和酸雨等环境问题的主要因素。现阶段，烟气脱硫项目已经大规模实施，但烟气脱硝刚刚起步^[1]。其中，选择性催化还原法（SCR）脱硝技术成熟可靠，脱硝性能稳定，脱硝效率高，液氨消耗少，被广泛采用。

催化技术吸引了很多的关注,因为它具有低成本和高效特点。基本上,NO的简单分解是低温下热力学可行的反应并且可以被应用。但是,反应非常缓慢,到目前为止足够有效的催化剂尚未被发现。因此,为了使NO转化为N₂，必须加入还原剂。在汽车尾气的催化吸收反应中,一般用CO作为还原剂。NOx的吸收一般使用Pt-Rh或Pd类催化剂, 这些催化剂一般分布在整体式陶瓷的涂料表面。另外,碳氢化合物如甲烷、丙烷和丙烯也可以作为吸收剂^[2]。但是,对于这些反应具有足够效率的催化剂也仍未被发现。

对于固定装置废气的脱硝, 选择性催化还原(SCR)法具有较高的效率。目前工业脱硝应用中大部分采用这一工艺。此工艺最早是日本在20世纪70年代发展起来的，目前已在世界范围内广泛应用^[3]。

在SCR反应系统中，烟气的流动特性是影响催化剂的有效利用和脱硝率的重要因素之一。实际SCR工程应用中，一般采用CFD数值模拟技术对SCR系统进行流场模拟研究，掌握其流场特性。通过适当的方法优化SCR系统流场，从而为实际SCR反应工程设计提供最优流场建议，以确保满足SCR系统反应所要求的流场环境。

二、国外应用现状

SCR技术发展至今已有三十多年的历史，是目前国外应用比较广泛的一种烟气脱氮技术。利用SCR进行烟气脱氮发明来自美国，但是1977年首先在日本开始商业化应用，随后从80年代中期开始，在纪念时间里迅速在日本、西欧、美国等国家的电站得到了应用。

到目前为止，全世界应用SCR烟气处理技术的电站燃煤锅炉容量已超过300GW。其中，日本约有100GW，欧洲超过55GW，美国超过100GW^[4、5]。

目前国外关于SCR催化剂的研究机构主要有：英国剑桥大学、英国雷丁大学、美国密歇根大学、日本九州大学、日本国立材料和化学研究所等等，其中密歇根大学主要致力于贵金属催化剂的研究，日本国立材料和化学研究所主要致力于金属氧化物催化剂制备方法的研究^[6]。

美国发电公司的Carneys Point电厂,该电厂是美国燃煤电厂中最早安装SCR系统的电厂,有2台相同的锅炉都装有用于高含灰量的SCR系统。它的运行记录最长,也是美国燃煤电厂中仅有的具有蜂窝状催化剂层的全容量SCR系统。到目前为止,它没有过量氨泄漏的报告,也没有提前冲洗空气预热器的记录。SCR系统运行情况良好并能满足要求^[7]。

Logan 电厂,该电厂是在美国较早使用SCR技术的燃煤电厂,安装的是用于高飞灰的SCR系统,催化剂装于垂直流动反应器中。设计采用3层催化剂层, 2层目前正在使用。该电厂利用了一层板型催化剂层,从而减少了系统的压力降,并使SO₂转化SO₃的转化率降低。在低负荷运行时利用省煤器旁路保持较高的烟气温度,以保证催化剂在合适的温度范围内运行^[8]。该SCR 系统运行数据显示,在合理的运行参数下NOx的排放量和氨泄漏量都低于允许值。

Roxboro电厂,该电厂位于卡罗莱纳州,于2001年7月开始运行SCR系统,采用的是低飞灰方式在静电除尘器之后布置SCR反应器,与大多数美国电站不同的是该电站锅炉燃烧低硫煤^[9]。

日本Shimoneski电厂,1975年日本在Shimoneski电厂建立了第一个SCR系统的示范工程,其后SCR技术在日本得到了广泛应用。SCR技术在日本的运行结果显示了良好的性能和较高的脱氮率, 这引起了欧洲各国的极大关注,并在德国等欧洲国家迅速推广^[10]。

德国Reuter West电站,该电站位于柏林,有一热态、高灰SCR装置,SCR反应器装在省煤器和空气预热器之间,常规的平均温度是360℃,NOx的转换率超过85%。由于低SO₂生成率和低NH₃渗漏,空气预热器从未发生阻塞,而且从运行起一直不必清洗,催化层1个星期才进行1次吹灰,运行效果很好^[11]。

三、国内应用现状

国内电厂目前主要通过采用低NOx燃烧技术来控制NOx排放，但随着大气污染物控制要求逐步提高，需要与机组同步建设烟气脱氮装置^[12]。

近年来，我国采用的烟气脱氮装置中，采用的工艺有SCR、SNCR和SNCR SCR组合，但使用较多的还是SCR工艺。目前，国内已建成的大型SCR脱氮工程基本是采用全套进口或引进技术及关键设备的方法。如厦门篙屿电厂引进日本IHI技术、广东恒运发电厂引进德国鲁奇能捷斯技术。鉴于引进技术的高昂价格，必须加快SCR技术的自主开发^[13]。

2004年12月底,由中国东方电气集团东方锅炉(集团)股份有限公司出资910万欧元与德国KWH公司合资成立的成都东方凯特瑞环保催化剂有限责任公司,注册资本为1300万欧元,其中东方锅炉占总投资比例的70%。KWH公司是德国最大的燃煤电厂SCR催化剂供应商之一,已生产超过50000 m³的SCR催化剂。此次合资成立的成都东方凯特瑞环保公司, 年生产SCR催化剂的能力为4500 m³,产品除了销售给中国市场以及东方锅炉成套的SCR 电厂外,同时也销售给KWH公司负责的欧洲和美国市场。成都东方凯特瑞环保公司生产的SCR催化剂主要运用于电站锅炉尾部烟气脱氮装置中。目前国家为控制酸雨,将严格控制火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物排放量。因此,SCR催化剂具有很大的市场空间和良好的社会效益^[14、15]。

福建后石电厂,该电厂由台塑美国公司投资兴建,电厂设计装机容量为6600 MW,烟气脱氮装置是我国大陆600MW机组安装的第一台烟气脱氮处理装置。后石电厂600MW机组脱氮采用炉内脱氮和烟气脱氮相结合的方法。炉内脱氮的方式采用PM型低NOx燃烧器加分级燃烧脱氮法，烟气脱氮方式采用日立公司的SCR法。脱氮效率可达65%以上^[16]。

浙江国华宁海电厂,该电厂1台600MW机组,拟采用日立工艺,由浙大能源科技有限公司承包,目前正在初步设计过程中^[17]。

广东国华台山电厂,该电厂1台600MW机组,目前已完成招标,拟采用丹麦Topsoe公司的技术^[18]。

太仓环保电厂,该电厂四期2台600MW机组,目前已招标,采用日立SCR工艺, 由江苏苏源环保工程股份有限公司进行工程的承包设计,现初步设计已完成^[19]。

山西阳城发电厂,该电厂1台600MW机组,北京大唐集团科技工程有限公司已经承接该项目^[20]。

四、烟气SCR脱硝系统流场优化

SCR脱硝方法的原理是利用氮剂对NOx还原的选择性，避免还原氮剂与烟气中的氧气反应，所以称之为选择行还原方法。而且其中加入了催化剂，可以在200～400℃范围内脱硝。

现在电厂中实际采用的多为SCR脱硝，技术成熟，脱硝率高,可达到80%～90%，可以对现有的电厂进行改造。这种脱硝的缺点是，占地面积大，初期投资费用大，催化剂有一定的使用寿命，需要定期更换，增加了运行费用。催化剂中NOx与氨的摩尔比超过一定比值时，会造成氨的浪费，而且此时容易对下游设备造成堵塞。大型电厂一般多采用SCR脱硝，容量较小的工业锅炉，CFB锅炉用SCR进行脱硝则会使成本增加过多，达不到经济目标^[21]。

SCR系统的工作原理是在280℃～420℃温度下，烟气中的NOx和上流烟道内喷入的还原剂NH₃在催化剂作用下发生还原反应，生成N₂和H₂O等。SCR系统在完成结构设计和选定催化剂的前提下，烟气气流分布不均匀容易造成NOx与NH₃的混合及反应不充分，不但极易造成局部喷氨过量，导致副反应的发生，而且影响脱硝效果及经济运行^[22]。SCR 脱硝系统具有设备尺寸大、烟道布置局限性大等特点，对烟气流速、氨氮比、温度及飞灰的负载分布提出了相当高的要求，深入研究烟气脱硝系统，改善烟气和氨气的混合均匀程度，随着CFD软件应用的广泛，越来越多的研究与企业将CFD数值模拟作为优化烟气脱硝系统的设计提供指导，促进燃煤电厂的节能减排^[23]。实际工程设计中，工程师们对其仅具有定性的了解，很难对影响程度作准确定量的判断。越来越多的企业通过流体力学软件模拟其流场分布，优化反应系统内部各部件的布置，为脱硝反应系统结构参数的优化设计与运行调试提供参考。

对于燃煤电厂的脱硝装置的设计，采取措施保证脱硝反应器中催化剂入口截面气体速度和反应物分布的均匀性是技术关键。根据SCR装置的设计要求确定数值模拟的计算方案，确定SCR反应器、导流叶片、整流格栅、静态混合器等主要流动部件的几何模型，以提高第一层催化剂入口前气流均匀性，使氨气和氮氧化物充分混合，提高脱硝效率。

在模拟过程中，对SCR系统内烟气状况作如下假设和简化。（1）将烟气视为不可压缩牛顿流体；（2）假设SCR系统进口处烟气速度分布均匀；（3）催化剂层压降采用多孔介质进行模拟；（4）采用无化学反应的组分运输模型来模拟反应器内的混合^[24]。

SCR系统的CFD建模范围是从省煤器的中部位置起到空预器入口法兰止。通过初步模拟计算，在模型中加装导流装置，使系统流场得到初步优化。其中，优化流场的部件包括：（1）AIG水平扩口处安装一组导流板；（2）反应器进口水平烟道变截面处和转弯处各安装一组导流板；（3）反应器出口烟道处安装一组导流板^[25]。

五、结语

目前，我国控制烟气中氮氧化物排放的标准更加严格，治理排放力度不断加大。因此，将会有更多的燃煤锅炉上马脱销工程。现阶段技术最成熟、采用最广泛的是SCR烟气脱硝技术。低NOx燃烧技术与SCR烟气脱硝技术相结合，可以大幅度地减少NOx的排放量，并可以使SCR的使用周期延长。通过烟气脱硝工程的实施，NOx的排放必将得到有效控制，既可减少因酸雨造成的损失，又可改善环境空气质量。

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