脱硝效率的影响因素及预防措施
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摘 要：本文主要介绍了脱硝的基本原理，脱硝效率影响的主要因素，并根据影响因素进行了分析总结，提出了相应的预防措施，通过本文的介绍希望对脱硝效率的提高有一定的指导意义。
关键词：脱硝；SCR；脱硝效率；影响因素；预防措施
1、SCR脱硝的基本原理
1.1 SCR脱硝的基本原理是：氮氧化物在催化剂作用下，在一定温度条件下被还原剂（NH3）还原为无害的氮气和水，不产生二次污染，“选择性”是指氨有选择地进行还原反应，在这里它只选择还原NOx 。其化学反应式如下：
4NO + 4NH3 + O2 =4N2 + 6H2O；
6NO2 + 8NH3= 7N2 + 12H2O
1.2 上面第一个反应是主要的，因为烟气中几乎90%的NOX是以NO的形式存在。如果没有催化剂作用，上述反应只在980℃左右的温度下进行。通过选择合适的催化剂，反应温度可降低到适合火电厂实际使用的300～430℃温度范围。目前市场上普遍使用的SCR催化剂是以TiO2为载体，V2O5为主要活性成分，WO3、MoO3为抗氧化、抗毒化辅助成分。除上述基本反应外，在条件发生变化时还可能发生以下副反应：
4NH3+5O24NO+6H2O
2NH3N2+3H2
4NH3+3O22N2+6H2O
NH3+SO3+H2O NH4HSO4
发生NH3分解和NH3氧化成NO的反应一般要求温度在350℃以上，450℃以上反应将更加激烈。反应温度在300℃以下时会发生NH3氧化成N2以及NH3与SO3反应生成NH4HSO4的副反应。
1.3 目前，常用的SCR脱硝系统主要采用高温高尘方式布置，影响SCR系统脱硝效率的因素较多，总体上可以分为两个大的方面。
1.3.1 催化剂设计参数相关，如催化剂的成分配比及反应活性、催化剂内烟气速度、催化剂的结构类型等。
1.3.2 SCR系统的运行特性，包括烟气温度、锅炉负荷率、催化剂压降、NH3/NOx摩尔比等。下面将对主要的影响因素进行简要分析。
2. 运行参数对SCR脱硝效率的影响
2.1. SCR入口烟气温度
2.1.1 反应温度对脱硝率有较大的影响，从脱硝效率和烟气温度的对应曲线可以看出，在300-385℃范围内，随着反应温度的升高，脱硝率增加的趋势逐渐平缓，当温度高于385℃时，脱硝率随温度的升高而下降。这主要是由于在SCR过程中温度的影响存在两种趋势，一方面是温度升高使脱NOx反应速率增加，NOx脱除率升高；另一方面温度的升高导致NH3氧化反应开始发生，使NOx脱除率下降。因此最佳反应温度是这两种趋势对立统一的结果。
4NH3+3O22N2+6H20+1267.1KJ
2NH3N2+3H2-91.9KJ
2.1.2 在分析烟温分布对脱硝效果的影响时，还需要考虑烟温分布不均对脱硝效率的影响。一般认为烟气温度的偏差范围在10-15℃以内时，对SCR运行不会有什么影响。
2.2 氨氮比
2.2.1 随着氨氮比的增加，脱硝效率呈现逐步增加的趋势。当氨氮比小于0.8时，脱硝效率随氨氮比几乎呈现线性关系；但是当摩尔比大于1时，脱硝效率的增长幅度明显变缓，几乎不再增加。同样从图中也可以看到，在氨氮比小于0.8时，氨的逃逸率变化不明显，但是当氨氮比大于0.8以后，氨的逃逸率呈现明显的上升趋势；在氨氮比大于1以后，氨的逃逸率几乎呈现线性关系。
2.2.2 若NH3投入量偏低，则脱硝率受到限制；若NH3投入量超过需要量，NH3的氧化等副反应的反应速率将增大，如SO2氧化生成SO3，在低温条件下SO3与过量的氨反应生成NH4HSO4。NH4HSO4会附着在催化剂或空预器冷段换热元件表面上，导致脱硝效率降低或空预器堵塞。
2.2.3 一般来说喷入的氨量越大、氨与NOx的分布越不均匀，氨逃逸率就可能越大。脱硝效率随氨氮比偏差的增大而减少，氨逃逸随氨氮比偏差的增大而增加。但是氨氮比分布偏差对脱硝效率的影响程度，和脱硝效率高低有关。在相同的入口氨氮比偏差下，脱硝效率越高，出口氨氮比的偏差就越大。在脱硝效率较低时，反应器中反应物NOx含量永远是比较大的，在靠近催化剂出口的地方，NH3浓度的正负偏差对脱硝反应速度的影响在一定程度上相互抵消，因此氨氮比的偏差对脱硝效率的影响较小。随着脱硝效率的增加，氨氮比偏差会使得接近催化剂出口处，在某些部位NOx较多而NH3较少，而在另外一些部位，NH3较多而NOx较少。低NH3浓度处的反应速度固然比较小，高NH3浓度处由于NOx的浓度偏低，其反应速度也不高，由此导致脱硝效率降低和漏氨的增加。
2.2.4 对于氨氮比分布偏差的要求，除了与脱硝效率和漏氨率有关外，还和脱硝系统入口NOx浓度有关。因此在相同的脱硝效率和入口氨氮比偏差的情况下，较高的入口NOx浓度对应的出口氨氮比偏差较大，因此在入口NOx浓度较大时，对入口氨氮比偏差的要求也较高。一般对于烟煤，当脱硝效率大于80%时，要求氨氮比偏差系数不大于5%，脱硝效率低于80%时，偏差系数不大于10%。对于入口NOx浓度较大的无烟煤，当脱硝效率大于70%时，就应要求氨氮比偏差系数不大于5%。
2.3 SCR入口NOx浓度
2.3.1 脱硝效率和氨耗量与入口NOx浓度的关系如图3所示。可知，脱硝效率和氨耗量随入口NOx浓度的变化趋势刚好相反，脱硝效率随入口NOx浓度的增大而下降，氨耗量随入口NOx浓度的增大而上升，这是因为入口NOx浓度越大则NOx越难以完全与NH3反应，导致脱硝效率降低。
2.4 接触时间
2.4.1 脱硝效率与接触时间的关系如图4所示。可知，脱硝效率随反应气体与催化剂接触时间的增加而迅速提高，接触时间增至200 ms左右时，脱硝效率达到最大值，随后随着接触时间的进一步增加，脱硝效率反而下降。这主要是由于反应气体与催化剂的接触时间增加，有利于反应气体在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散，从而使脱硝效率提高；若接触时间过长，NH3氧化反应开始发生，将导致脱硝效率下降。
2.5 催化剂压降
2.5.1 随运行时间的增加，催化剂的脱硝效率会呈现逐步下降的趋势，造成这种现象的原因有多种，如飞灰引起的催化剂堵塞、催化剂中毒、硫酸盐引起的堵塞等飞灰在催化剂表面的沉积是一个物理过程。相对于化学作用，物理作用一般是可逆的，而且沉积速度较慢。故飞灰在催化剂表面的沉积通常不会是催化剂失活的主要原因。在碱金属中引起催化剂中毒的主要是碱性比较强的K2O和Na2O。CaO也会引起催化剂的中毒。在催化剂的实际应用当中，砷中毒是引起催化剂失活的重要原因之一，特别是在低飞灰状况下，更是催化剂活性降低的主要原因。另外，对于高灰型SCR脱硝系统，进入脱硝装置的烟气中含有大量的SO2。SO2会在催化剂的作用下被氧化成SO3。SO3进而可以与烟气中的水以及NH3反应，从而生成硫酸氨和硫酸氢氨，这些硫酸盐会遮蔽反应活性位，堵塞催化剂表面，影响反应物在催化剂表面的扩散，造成脱硝效率下降。因此对于每套机组造成催化剂脱硝效率的实际原因需要具体情况具体分析。
2.5.2 催化剂的压降随负荷的变化如上图所示。但是随着运行时间的增加，烟气中的飞灰会逐渐在催化剂表面堆积，从而堵塞部分反应通道，造成压降升高，脱硝效率降低。如果催化剂层15%被堵塞，磨损就会加倍催化剂层的局部堵塞首先会增加相邻区域内的烟气流速和飞灰负荷。此外，其导致的气流偏斜会进而增加灰粒与催化剂表面的碰撞角度。
2.5.3 造成催化剂积灰的原因如下：锅炉侧随烟气带来的颗粒状杂质，不能通过催化剂而或卡或覆盖在催化剂孔上，并拦截了烟气中的灰分，造成积灰。催化剂横梁上积灰吸潮后形成板结，运行中可能发生脱落，覆盖在丝网或催化剂上，使烟气无法顺利通过催化剂。脱硝系统的钢结构表面存在氧化皮，在机组运行中可能发生脱落，这些片状物停留在催化剂的孔上，继而发展成区域积灰。在运行过程中进行保证合理的吹灰频率，在机组停炉时对催化剂层进行全面清灰十分必要。
2.6 机组负荷率
2.6.1 机组负荷的高低直接影响SCR脱硝系统中的烟气量，进而影响脱硝效率。在同样的喷氨量下，随着机组负荷的增加，系统的烟气量增加，脱硝效率呈现下降趋势，如图7所示。为了保证系统的脱硝效率，就必须提高喷氨量。
2.6.2若催化剂长期在规定的最低温度下运行，将会造成催化剂中毒，影响催化剂的活性，导致脱硝的效率及经济性降低。因此，机组长时间低负荷运行时，在保证排放不超标的情况下，严格落实厂家要求的氨投入、退出温度并降低脱硝效率目标值，以减少此过程中氨逃逸较大和硫酸氢铵的生成，避免催化剂微孔永久堵塞。特别是在已经发现空预器差压上升，氨盐腐蚀、吸收塔浆液内氨氮浓度上升的情况下应适当减少喷氨量。
2.6.3 因此，为保证SCR装置的安全稳定运行，在锅炉的运行中，做到密切注意烟气量及其波范围、烟气温度及其波动范围、SCR装置进口烟道上的烟气压力及其波动范围、烟气中的粉尘含量、烟气中的二氧化硫含量等对脱硝效率和催化剂影响较大的参数，只有烟气参数完全符合设计值，才允许投入SCR装置。如果出现个别参数偏离设计值过大的情况，应及时进行分析，评估其危害性质和严重性，预先估计其后果并考虑补救措施，最终确认SCR装置投入或退出运行。
3.保证脱硝效率的预防措施
3.1 针对影响SCR脱硝效率的主要运行因素，在后期的运行管理上，脱硝系统运行中需要做好如下几方面的工作。
3.1.1 根据催化剂厂家提供的运行温度参数，控制SCR的运行温度在合理的温度范围内，当温度过高或者过低时及时进行运行调整。
3.1.2 保证合理的氨氮摩尔比分布，避免片面追求脱硝效率引起的氨逃逸率偏高的现象，保证SCR脱硝反应器出口的氨逃逸率在3ppm以下。
3.1.3 运行过程中及时监控催化剂层级SCR系统的压降，选用合理的催化剂层吹灰频率，当压降有所增加时，需要及时调整吹灰频率。在机组检修时，及时对催化剂层及喷氨格栅进行全面清灰。
3.1.4 随着烟气负荷的升高，在同样的喷氨量下，脱硝效率会有所降低，此时需要根据相应的修正曲线及时调整氨氮摩尔比，使系统的脱硝效率满足环保要求。