SCR脱硝过程中细颗粒物的形成机理及排放特性实验研究

论文总字数：24656字

摘 要

SCR脱硝反应器出口处有大量颗粒物产生，细颗粒物呈块状，大小较为均匀，细颗粒物的粒径主要集中在 1um 及 1um 以下。经实验对SCR脱硝装置后的细颗粒物进行分析，发现主要成分为硫酸氢铵（ABS），并分析了温度、氨逃逸量、二氧化硫浓度、氧气浓度、水汽含量等因素对细颗粒物的影响规律，结果表明其形成与脱硝机理有关。最终得出细颗粒物的形成温度190~240℃，温度在320~345℃时为气相，高于345℃开始分解；细颗粒物在氨逃逸量以及SO2氧化率减少的情况下会有所减少，控制SCR工艺运行温度可以有效控制细颗粒物在催化剂中的沉积，避免催化剂堵塞和腐蚀^[2]。

关键词：SCR；细颗粒物；排放特性;形成机理;

Experimental study of the formation mechanism of fine particulate matter and emission characteristics of SCR denitration process

03211726 Fu Yibing

Supervised by Fan Hongmei

Abstract：The flue gas denitrification technology is becoming one of the hot areas of air pollution control. Coal-fired power plant NOx emission control technologies include combustion and post-combustion denitration two kinds. In this paper, the status quo SCR NOx removal process, the use of experimental study of the formation mechanism of SCR denitration process of fine particulate matter and emission characteristics.

SCR denitration reactor outlet produces a large number of particles, fine particulate matter was massive size more uniform particle size of fine particles and focused on 1um 1um or less. For analysis by fine particulate matter experiment SCR denitration unit after that the main component of ammonium bisulfate (ABS), and the effects of temperature, ammonia slip quantity, SO2 oxidation, fly ash and other influence law of fine particulate matter, and the results show that the formation and the denitration mechanism related. Final results of fine particulate matter formation temperature 190 ~ 240 ℃, temperature 320 ~ 345 ℃ when the gas phase above 345 ℃ begins to decompose; to be reduced in the case of fine particulate matter and reduce the amount of ammonia slip SO2 oxidation rate control SCR technology can effectively control the operating temperature deposition of fine particles in the catalyst, the catalyst to avoid clogging and corrosion.

Key words: SCR; fine particulate matter; emission characteristics; formation mechanism;

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1可吸入颗粒物及其危害 1

1.1.2 氮氧化物的产生及其危害 1

1.2 SCR脱硝技术在燃煤电厂的应用 2

1.2.1 SCR反应器的布置方式 2

1.2.2 SCR脱硝系统 3

1.2.3 SCR的控制系统 3

1.2.4 SCR催化剂的种类 3

1.2.5 钒系催化剂的反应机理 5

1.3 SCR脱硝对细颗粒物生成的研究进展 5

1.3.1 SO2氧化 7

1.3.2 氨逃逸 7

1.3.3 催化剂的堵塞 7

1.3.4 硫酸氢铵对空预器的影响研究 7

1.4 本文研究内容和方法 8

1.5 本章小结 8

第二章 试验系统与方法 9

2.1 引言 9

2.2 模拟试验系统 9

2.2.1 模拟烟气配制系统 9

2.2.2 催化反应系统 10

2.2.3 分析测试系统 10

2.3 热态试验装置 10

2.4 催化剂及颗粒物的表征 10

2.4.1 BET比表面积测定 10

2.4.2 XRF分析 11

2.4.3 形貌和元素组分分析 11

2.4.4 XRD分析 11

2.4.5 催化剂样品的脱硝活性测试 12

2.5 本章小结 12

第三章 SCR脱硝过程中细颗粒的排放特性 13

3.1 引言 13

3.2 SCR脱硝反应器出口细颗粒物的排放特性 13

3.3.1 SCR系统对细颗粒排放浓度的影响 14

3.3.2 SCR系统出口细颗粒的物相组成 14

3.4 SCR系统出口细颗粒物排放的影响特性 14

3.4.1 温度的影响 15

3.4.2 氨氮比的影响 15

3.4.3 SO2浓度的影响 15

3.4.4 O₂浓度的影响 16

3.4.5 水汽的影响 16

3.5 本章小结 17

第四章 SCR脱硝过程中细颗粒物的形成机理研究 18

4.1 微观角度分析SCR脱硝过程中细颗粒形成机理 18

4.2 微观角度分析SCR脱硝过程中细颗粒分解机理 19

4.3 本章小结 20

第五章 总结与建议 21

5.1 全文总结 21

5.2 后续研究建议 21

致 谢 22

参考文献 23

1. 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1可吸入颗粒物及其危害

近些年来，随着人们生活水平的日渐提高，经济发展更为迅速，工业化进程也不断加快，环境污染问题日益严重，人们对生活环境的要求也越来越高，国家对此制定了专门的法律，对污染物的排放量和排放浓度有了严格的要求，可吸入颗粒物的排放问题更是其中的一个关键问题。可吸入颗粒物，指的是空气动力学直径小于或等于10um的颗粒物，也称PM₁₀。PM₁₀主要来自于污染源的直接排放，比如工厂的废气以及汽车尾气，还有一部分由空气中的SOx，NOx，挥发性有机化合物互相反应而生成^[2]。PM₁₀对人体的危害严重与否主要由它的来源和理化性质决定，可吸入颗粒物主要成分是致病因子，它可以在在环境中长期悬浮，对大气能见度影响很大，还可以通过呼吸系统被人体吸入，其浓度和暴露时间决定了它的吸入量以及危害程度。PM₁₀中较粗的颗粒主要来自人为污染源和自然界的尘粒，易沉降，不容易被人体吸入，而其中较为细小的，空气动力学直径不大于2.5um的颗粒物容易被吸入，并沉积在肺部，进入肺泡甚至血液，严重时可造成病变，对人体产生危害。

由于可吸入颗粒物的危害很大，对于它的研究也越来越被重视，国外更是对它的排放制定了更为严格的标准，有了明确数量的规定^[1]。我国环保部也制定了细颗粒物排放总量控制制度, 并提出了细颗粒物污染防治目标。

1.1.2 氮氧化物的产生及其危害

氮氧化物是指只由氮，氧两种元素构成的化合物，包括一氧化氮，二氧化氮，一氧化二氮，五氧化二氮等，除了五氧化二氮是固态，其他氮氧化物均为气态。其中一氧化氮和二氧化氮为常见的大气污染物，而一氧化氮占95%，它排放之后生成稳定的二氧化氮，从而形成酸雨和光化学污染，对人体及自然环境危害巨大。

氮氧化物一方面来源于土壤海洋中有机物的分解，为天然排放，属于自然界氮循环；另一方面来自于人为污染源的排放，化石燃料的燃烧，如汽车尾气，工业生产等。煤炭在我国是主要能源，占据主导地位，这一国情使得燃煤排放的氮氧化物占我国排放总量的67%^[2]。国家环保局近些年数据监测显示，我国酸雨类型已经从硫酸型转变为硫酸硝酸混合型，氮氧化物已经成为第一酸性大气污染物，中国氮氧化物污染控制势在必行。

氮氧化物对人体及动物有致毒作用，一氧化氮对血红蛋白亲和力很强，当它进入血液，它可以把与血红蛋白结合的氧驱赶出来，使自身与血红蛋白紧密结合，从而引发支气管炎，肺气肿等疾病，严重时致癌。燃烧生成的一氧化氮进入大气后转化为二氧化氮，和水形成酸雨，伤害植物的器官，影响其发育。一氧化氮排放后通过N0 HC 0₂ 阳光→NO₂ O₃的反应，与碳氢化合物结合引发光化学烟雾污染，造成眼睛红肿，咳嗽甚至心肺衰竭。一氧化二氮能转化为一氧化氮破坏臭氧层，主要反应有N₂O O→N₂ O₂，N₂ O₂→2NO，NO O₃→NO₂ O₂，NO₂ O→NO O₂，O₃ 0→20₂，这些反应不断循环，使得臭氧分解，臭氧层破坏。

1.2 SCR脱硝技术在燃煤电厂的应用

1.2.1 SCR反应器的布置方式

这个反应系统由氨的制备或储存系统、氨气与空气稀释混合系统、氨气喷入系统、反应器系统以及检测控制系统等组成。SCR反应器的布置方式有有低温低灰布置、高温低灰布置和高温高灰布置等三种不同安装位置。

（1） 低温低灰布置方式：SCR反应器布置在烟气脱硫装置（FGD）的吸收塔后，在无SO₂、无尘的烟气中，且催化剂不存在中毒和被污染，也不存在灰尘堵塞反应器通道或者腐蚀反应器的情况下，可以采用高活性的催化剂。高活性催化剂可以使反应器的体积更小，布置更加紧凑。催化剂在洁净烟气中工作时，工作寿命大约可以延长2～3年。不过这种反应器布置方式也有缺点，温度不超过80℃的烟气经过湿法FGD脱硫装置的吸收塔后，烟气要在进入催化剂反应器前，达到催化反应所需温度，这种情况下需要安装烟气加热装置，如电加热，这就增加了能源消耗和脱硝运行费用。因此，这种布置方式很少采用。

（2） 高温低灰布置方式：SCR反应器布置在电除尘器后，优点在于烟气要经过电除尘器，才会进入催化剂反应器，这样除尘后的烟气减少了对催化剂的污染，减少了烟气中的固体对反应器的磨损和堵塞；缺点则是由于烟气还没有脱硫，会对催化剂造成污染，特别是电除尘器无法在250～400℃的温度下运行，因此这种布置方式也很少被采用。

（3） 高温高灰布置方式：SCR反应器布置在省煤器后，温度处于350℃附近的位置，在高尘烟气的工作条件下，烟气中的灰尘和SO₂经过催化剂反应器。这种布置方式，在烟气温度处于250～400℃之间运行，这个温度区间是大多数催化剂适合的反应温度，因此这种布置被广泛采用。但是由于催化剂总是在高烟尘的环境中工作，催化剂的寿命（从新催化剂开始使用到被更换的这段时间）会由于高活性催化剂促进烟气中的SO₂发生氧化反应生成SO₃；灰尘磨损催化剂反应器以及堵塞催化剂反应器的蜂窝状通道；烟气温度太低过高的情况下催化剂再结晶失效或烧结；烟气中存在的As、Si、Ca、Na等元素使催化剂中毒，降低催化剂的效能等情况受到一定的影响。

因此，为了延长催化剂的寿命，不仅要选择合适的催化剂，还要安装吹灰装置。为了防止反应器内部积灰，每层反应器的入口处都布置有蒸汽吹灰器，此外，每层催化剂还设置一套声波吹灰器，通过吹灰器定期吹扫来清除附着在催化剂上的积灰，这种吹灰方式清灰彻底，不留死角，达到了最大限度的利用催化剂对脱硝反应的催化活性的目的，有效地延长了催化剂的寿命，降低了SCR反应器的维护成本^[3]。

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