燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验.pdf

第3 0 卷第6 期 动力 工 程 学 报V 0 1 3 0N o 6 2 0 1 0 年6 , E l J o u r n a lo fC h in e s eS o cie t yo fP o w e rE n g in e e r in g J u n e2 0 1 0 文章编号：1 6 7 4 7 6 0 7 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 4 3 9 0 5中图分类号：X 5 1 1文献标识码：A学科分类号：6 1 0 3 0 燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验 徐 旭1 ，应剑2 ，王新龙3 ( 1 中国计量学院计量测试工程学院，杭州3 1 0 0 1 8 ； 2 浙江省电力试验研究院，杭州3 1 0 0 1 4 ；3 萧山发电厂，杭州3 1 1 2 5 1 ) 摘要：在4 2 0t h 电站燃煤锅炉尾部建立了选择性催化还原脱硝工业性试验装置，重点研究了 N H 。N 0 。摩尔比、反应温度、反应空速等因素对烟气脱硝效率的影响结果表明：当N H 。N q 摩 尔比小于1 时，脱硝效率随着N H 。N q 摩尔比的增大而提高；当N H 。N 0 ：摩尔比大于1 时，随 着N H 。N 0 ，摩尔比的增大，脱硝效率变化不明显；当N H 。N O 。摩尔比为0 9 、反应温度为3 2 5 3 5 0 时，脱硝效率达到9 0 ；当空速小于47 6 0h 叫时，随着空速提高，脱硝效率基本不变；当空速 大于47 6 0h 。1 后，脱硝效率随空速提高迅速降低试验研究还发现：氨逃逸量随着N H 。N O 。摩尔 比的增大而逐渐增大；当N H 。N O 。摩尔比小于0 9 5 时，氨逃逸量均能满足设计要求；在3 2 5 3 5 0 内，S 0 2 S O 。转化率随反应温度的升高而提高，且均小于0 6 ，符合设计要求 关键词：燃煤电厂；选择性催化还原；性能试验；氮氧化物；氨逃逸 P e r f o r m a n ceT e s to faS C RD e n it r if ica t io nS y s t e m f o rC o a l f ir e dP o w e rP la n t s X UX u l，Y I N GJ ia n2 ，W A N G X in lo n g 3 ( 1 C o lle g eo fM e t r o lo g ya n dM e a s u r e m e n tE n g in e e r in g ，C h in aJ ilia n gU n iv e r s it y ， H a n g z h o u3 1 0 0 1 8 ，C h in a ；2 Z h e j ia n gE le ct r icP o w e rT e s t8 LR e s e a r chI n s t it u t e ， H a n g z h o u3 1 0 0 1 4 ，C h in a ；3 X ia o s h a nP o w e rP la n t ，H a n g z h o u3 1 1 2 5 1 ，C h in a ) A b s t r a ct ：As e r ie so fe x p e r im e n t a lt e s t sw e r eco n d u ct e dt os t u d yt h ep e r f o r m a n ceo fas e le ct iv eca t a ly t icr e d u ct io n ( S C R ) f lu eg a sd e n it r if ica t io ns y s t e mf o ra4 2 0t hco a l f ir e db o ile r ，w it hf o cu so nt h ein f lu e n ceo f NH 3 N 0 ：m o la rr a t io ，r e a ct io nt e m p e r a t u r ea n ds p a cev e lo cit yo nit sd e n it r if ica t io ne f f icie n cy R e s u lt s s h o wt h a tw h e nt h em o la rr a t ioo fN H 3 N qisle s st h a n1 ，t h ed e n it r if ica t io ne f f icie n cyw illr is ew it h g r o w in gm o la rr a t ioo fNH 3 N O ；a n dw h e nt h em o la rr a t ioisla r g e rt h a n1 ，t h ed e n it r if ica t io ne f f icie n cy w ill n e a r lyr e m a int h es a m e ：w h e r e a sw h e nt h em o la rr a t ioiS0 9a n dt h er e a ct io nt e m p e r a t u r elie sin3 2 5 3 5 0 。C ，t h ed e n it r if ica t io ne f f icie n cym a yr e a ch9 0 T h ed e n it r if ica t io ne f f icie n cyw illb a s ica llyr e m a int h e s a m ew it hr is in gs p a cev e lo cit yw h e nt h ela t t e ro n eisle s st h a n47 6 0h b u td r o pr a p id lyw h e nt h ev e lo c it yg e t sla r g e rt h a n47 6 0h 一T h eN H3e s ca p er a t ew illr is ew it hg r o w in gm o la rr a t ioo fN H 3 N O ，a n dif t h em o la rr a t iok e e p sb e lo w0 9 5 ，t h ed e s ig nr e q u ir e m e n to fN H 3e s ca p er a t eca nb es a t is f ie d W it h in3 2 5 3 5 0 ，t h eco n v e r s io nr a t eo fS 0 2 s 0 3w illr is ew it ht h eg r o w t ho ft e m p e r a t u r e ，w h ichist ob ek e p tb e lo w 0 6 ，m e a n in gt h ed e s ig nr e q u ir e m e n tca nb em e t K e yw o r d s ：co a l f ir e dp o w e rp la n t ；s e le ct iv eca t a ly t icr e d u ct io n ；p e r f o r m a n cet e s t ；N O 。；a m m o n ias lip 收稿日期：2 0 0 9 0 8 1 8修订日期：2 0 0 9 1 2 - 2 9 基金项目：浙江省自然科学基金资助项目( Y 5 0 8 0 0 8 7 ) 作者简介：徐旭( 1 9 7 4 一) ，女，浙江常山人，副教授，博士，研究方向为：废弃物焚烧及污染防治电话( T e l) ：0 5 7 1 8 6 9 1 4 5 4 2 E m a il：X U X U cj lu e d u cn 动 力工程学报 第3 0 卷 燃煤电厂排放的氮氧化物( N O ，) 作为大气 N O 。的重要来源之一，已备受社会关注L 1J 不少工 业国家对电厂的N q 排放作出了严格限制，我国也 于2 0 0 3 年颁布了G B1 3 2 2 3 2 0 0 3 火电厂大气污 染物排放标准口 火电厂控制N O ，污染的技术可分 为低N O ，燃烧和烟气脱硝等两类技术，当电厂采用 低N 晚燃烧技术不能满足排放标准时，往往需要采 取燃烧后脱硝技术，其中选择性催化还原( s e le ct iv e ca t a ly t icr e d u ct io n ，S C R ) 技术因其高效率和高选择 性，应用最为广泛，被认为是目前乃至今后相当长时 期内最主要的烟气脱硝技术 1 各国专家对S C R 脱硝技术的研究主要集中在 脱硝的催化反应机理、反应动力学、催化剂性能改 进、脱硝试验和数学模拟以及脱硝装置工程应用等 方面 3 。5 由于我国S C R 脱硝技术的应用起步较晚， 首台引进的S C R 烟气脱硝装置于1 9 9 9 年投运，针 对脱硝装置设计、运行以及工程应用方面的研究较 少，而主要集中在催化剂及脱硝机理的试验研究等 方面吨 因此，笔者在4 2 0t h 锅炉尾部搭建了 S C R 脱硝系统试验平台，研究了N H 。N O ，摩尔 比、反应温度、反应空速等因素对烟气脱硝效率的影 响，为S C R 脱硝系统的工程应用提供参考 1 试验部分 1 1 试验装置 电站燃煤锅炉S C R 脱硝系统的试验平台( 图 1 ) 主要由烟气系统、氨系统、S C R 反应器和催化剂 系统、蒸汽和空气供应系统、控制系统以及电气系统 等组成根据锅炉烟风系统和S C R 脱硝工艺的温度 要求，将脱硝装置布置在燃煤锅炉省煤器和空气预 热器之间的垂直烟道中液氨在氨气蒸发器内蒸发 l省煤器旁路 1 省煤器1 。b 静态烟气混合器 空气孓 r 稀释风机 氨气空气 氨气管路。鼻管路 1 氨气空气 。 肾? r ” 蒸发器 Ir 氨喷射嘲格 静态烟气 混合器 引羽驰蛩+ 刘 电除尘器 图1 燃煤锅炉S C R 脱硝系统试验平台 F ig 1 S ch e m a t icd ia g r a mo ft h eS C Rd e n it r if ie a t io ns y s t e m 为氨气，加热至常温后，送到氨气缓冲槽备用，缓冲 槽内氨气经调压阀减压后，送入氨空气混合器中， 与空气充分混合后喷入烟气中，再进入S C R 催化反 应器中当烟气流经S C R 催化反应器中的催化层 时，氨气在催化剂的作用下，将N O ，还原为无害的 N 。和H ：o 图2 给出了S C R 反应器的结构图反应 器的设计截面为1m 1m ，高为7 2 9 5m ，催化剂 分两层放置，同时留有一层备用，根据试验测试、催 化剂安装检修以及安装吹灰器等工艺要求，各层间 留有一定的间隙为减少飞灰在催化剂层上的沉积， 烟道和反应器内均安装导流板，以改善反应器的流 场分布 圆形保温人孔 均流器 催化剂 倦化荆 催化剂 图2S C R 反应器结构图( 单位；r a m ) F ig 2 S t r u ct u r a ld ia g r a mo ft h eS C Rr e a ct o r ( u n it ：m m ) 1 2 试验燃料及催化剂 表1 和表2 分别给出了试验用煤的煤质分析和 痕量元素分析结果S C R 反应器采用的催化剂为丹 麦T O P S O E 公司生产的D N X 一5 6 4 型波纹板催化剂 ( 高宽长：5 7 2m m 4 6 6m m 4 6 6m m ，催化剂 体积为1 0 9L ) ，共1 6 个模块催化剂的主要成分如 下：v 20 5 为O 4 ，W 0 3 为5 1 0 ，T i0 2 为8 0 9 0 催化剂适用范围为：飞灰浓度 2 5g m 3 ( 干 烟气，过量空气系数a 一1 4 ) ，S 0 2 氧化率 1 1 3 试验方法 在试验期间保持电厂燃煤机组的稳定运行， S C R 试验装置的设计工况及系统性能测试指标参 数见表3 由于选择的催化剂体积有一定余量，同时 考虑到运行2 年后装置仍能满足最初的设计要求， 因此试验中最大处理烟气量达到了83 1 7m 3 h ，但 文中讨论N H 。N O x 摩尔比、反应温度等影响时，仍 按设计工况的烟气流量进行试验 第6 期徐旭，等：燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验 4 4 1 表2 煤中痕量元素 T a b 2T r a cee le m e n tinco a l m g k g 表3S C R 装置的性能指标 T a b 3P e r f o r m a n cein d e xo ft h eS C Ra p p a r a t u s 采用镍铬一镍硅热电偶测量温度，在反应器上层 催化剂顶面2 5 0m m 处的截面上均匀布置1 6 个测 点，得到平均反应温度；在反应器每层催化剂层顶面 2 5 0m m 处的截面上均匀布置1 6 个测点，用压差法 测试每个测点的烟气流速；在反应器上层催化剂顶 面2 5 0m m 处的截面上布置1 2 个测点，分别采用氨 分析仪和烟气分析仪测定N H 。和N O ：浓度，S O 。 浓度采用凝结法测量 7 2 性能研究与结果分析 S C R 脱硝装置的性能指标主要有脱硝效率、氨 逃逸率、S O ：s o 。转化率和压力降等其中，脱硝效 率的计算如下： ：塑专磐100rNO ( 1 ) 一 丽i- u7 式中：柏。表示N q 的脱除效率；N O “。为脱硝装置 运行时反应器入口处N q 的浓度，m g m 3 ；N O 。 为脱硝装置运行时反应器出口处N q 的浓度， m g m 3 S O 。s o 。转化率的计算公式如下： a：旦等譬坠lOO$O ( 2 )a z2 面- K 【z ) 式中：口S 0 。表示S O z S O 。转化率；S O 。为脱硝装置 运行时反应器出口S O 。的浓度；S O 。湘为脱硝装置 运行时反应器入口S O a 的浓度；S O z in 为脱硝装置 运行时反应器进口S O ：的浓度 2 1N H 。N O ，摩尔比对脱硝效率及氨逃逸的影响 烟气中的N q 绝大部分以N O 的形式存在，还 有少量N O 。在V 。O 。一w O 。一T iO ：催化剂的作用下， N H 。将N O ，还原成无污染的N ：和H ：O ： 植；I p 相l 4 N O + 4 N H 3 + 0 2 二= = ；4 N ：+ 6 H ：O ( 3 ) 槲；I p 相l 8 N H 3 + 6 N 0 2 = = 37 N 2 + 1 2 H 2 0( 4 ) 图3 给出了当烟气温度为3 5 0 、流量为55 0 0 m 3 h 时N H 。N O ，摩尔比对脱硝效率及氨逃逸的 影响从图3 可以看出，当N H 。N O 。摩尔比小于1 时，系统的脱硝效率随N H 。N O ：摩尔比的增大而 提高，且影响显著；当N H 。N q 摩尔比达到1 时， 脱硝效率达到了9 5 以上，之后继续增大摩尔比， 脱硝效率没有明显的提高；随着N H 。N O 。摩尔比 的增大，氨逃逸逐渐增大，当N H 。N Q 摩尔比小于 0 9 5 时，氨逃逸量基本能满足设计要求，但当N H 。 N O ，摩尔比为1 时，氨逃逸量超出了脱硝系统的设 计要求( 3 8m g m 3 ) 在脱硝系统中，当N H 。投入 量偏低时，还原反应将受到限制；而当N H 。投入量 过高时，N H 。氧化等副反应的反应速率将增大 8 ， 从而降低了N O ，的脱除效率，增加了系统的氨逃 逸，造成二次污染因此，在保证脱硝效率的同时，应 密切注意控制N H 。N q 摩尔比在实际S C R 烟气 脱硝系统中，一般控制N H 。N O 。摩尔比小于1 1 图3N H 。N O ，摩尔比对脱硝效率及氨逃逸的影响 F ig 3 E f f e cto fN H 3 N O ，m o la rr a t ioo nt h ed e n it r if ica t io n e f f icie n cya n da m m o n ias lip 2 2 反应温度对脱硝效率及S O ：S O 。转化率的 影响 在S C R 系统中，一方面，当反应温度低于催化 剂工作温度范围时，催化剂活性降低，N q 还原脱 动力 工 程学报第3 0 卷 硝反应速率减慢，还会导致较大的氨逃逸餐，危及机 组的正常运行；另一方面，当反应温度过高时，会发 生催化剂烧结失活以及N H 。的氧化反应，使N O 。 脱除效率下降并产生N ：O 等，造成二次污染适宜 的反应温度是这两方面对立统一的结果当机组安 装S C R 脱硝装置后，烟气中的S O 。不但会在锅炉中 生成，还会通过催化剂催化氧化生成，烟气中S O 。 浓度越高，越容易与氨反应生成硫酸氢氨，增大了下 游设备结露的可能性，进而加剧设备腐蚀，因此，在 设计及运行脱硝装置时，应注意控制S O ：s o 。的转 化率，其一般随着反应器内温度的升高和催化剂中 活性成分V ：O 。含量的增加而提高图4 给出了反 应温度对脱硝效率及S O 。s o 。转化率的影响当 N H 。N O 。摩尔比为0 9 、烟气流速约为5m s 、反 应温度为3 2 5 3 5 0 时，系统脱硝效率较高，基本 稳定在9 0 左右，且温度变化对其影响不显著在 3 2 5 3 5 0 内，S O ：s o 。转化率随反应温度的升高 而提高，但S O 。S O 。转化率均小于0 6 ，低于设 计限值1 因此，本试验的反应温度范围符合催化 剂正常工作的温度要求，可获得较好的脱硝效果，并 且符合S O 。S O 。转化率的设计要求 图4 反应温度对脱硝效翠及S 0 2 S O a 转化率的影响 F ig 4 E f f e cto ft e m p e r a t u r e0 1 1t h ed e n it r if ica t io ne f f ie ie n e ya n d S 0 2 S 0 3co n v e r s io nr a t e 2 3 反应空间速度对脱硝效率的影响 空间速度简称空速，为烟气在催化剂上停留时 间的倒数当N H 。N 0 ，摩尔比为0 9 、反应温度约 为3 4 0 时，反应空速对S C R 系统脱硝效率的影响 示于图5 当反应空速在27 5 0 47 6 0h - 1 时，脱硝 效率基本保持在9 0 左右，且随空速的降低略有提 高；当空速大于47 6 0h 一时，脱硝效率随空速的提 高迅速降低随着反应空速的降低，烟气在催化剂上 的停留时间增加，有利于烟气和氨气向催化剂微孔 内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸扩散，使得 N O 。的脱除效率提高；当空速过高时，反应气体在 催化剂上的停留时间过短，还原反应进行不充分， N O ：脱除效果差该S C R 系统的极限空速为47 6 0 图5空速对脱硝效率的影响 F ig 5 E f f e cto fs p a cev e lo cit yo nt h ed e n it r if ica t io ne f f icie n cy h 一，相应的烟气流量为83 1 7m 3 h ，与设计相比有 较大提高，这主要考虑了催化剂在运行过程中会出 现失活，因此计算时考虑运行2 年后S C R 脱硝装置 仍能满足设计要求 2 4 烟气流量对催化剂层及脱硝系统阻力的影响 烟气流经催化剂层和S C R 脱硝系统的烟道时， 会引起一定的流动阻力，阻力大小与烟气流速及催 化剂节距有关试验中采用高飞灰S C R 脱硝装置， 烟气流速为4 6m s ，D N X - 5 6 4 催化剂的节距为 7 4m m 图6 给出了烟气流量对催化剂层和脱硝系 统阻力的影响从图6 可以看出，随着烟气流量的增 大，脱硝系统的流动阻力和催化剂层的流动阻力均 逐渐增大，催化剂层阻力约占系统阻力的5 0 左 右因此，运行时为维持烟气量，需要增大引风机的 开度，这将导致引风机电耗增大当系统流动阻力超 过引风机的耐受能力时，必须对引风机进行改造此 外，也可通过合理布置混合器和烟气导流板及改变 反应器形状来降低S C R 脱硝装置的流动阻力 烟气流量( r n 3 h - 1 ) 图6 烟气流量对催化剂层及系统流动阻力的影响 F ig 6E f f e cto ff lu eg a sf lo wr a t eo nf lo wr e s is t a n ceo f ca t a ly s tla y e ra n dS C Rs y s t e m 3 结论 在4 2 0t h 电站燃煤锅炉尾部建立了S C R 脱硝 第6 期徐旭，等：燃煤电厂选择性催化还原烟气脱硝系统的性能试验 4 4 3 工业性试验装置，在燃煤锅炉正常运行时进行了有 关的试验，考察了反应温度、N H 。N O 。摩尔比、反 应空速对脱硝效率的影响，结果表明：当N H 。N 0 ， 摩尔比为0 9 、反应温度为3 2 5 3 5 0 时，脱硝效 率可达到9 0 ；S O ：s o 。转化率随反应温度的升高 而提高，且转化率均小于0 6 ；氨逃逸量符合设计 要求燃煤机组S C R 脱硝工业性试验装置的设计及 性能试验结果，可为今后同类型燃煤机组S C R 脱硝 系统的设计优化及运行工况调整提供一定的参考价 值和指导意义 参考文献： 1 张强燃煤电站S C R 烟气脱硝技术及工程应用 M 北京：化学工业出版社，2 0 0 7 2 国家环保总局，国家质量监督检验检疫总局G B 1 3 2 2 3 2 2 0 0 3 火电厂大气污染排放标准 S 北京：中 国环境科学出版社，2 0 0 3 3 F O R Z A T T IP io P r e s e n ts t a t u sa n dp e r s p e ct iv e sin d e N O S C Rca t a ly s is J A p p lie dC a t a ly s is ：A ，2 0 0 1 ， 2 2 2 ( 1 2 ) ：2 2 1 - 2 3 6 4 S C H A U BG ，U N R U HD ，W A N GJ ，e t a lK in e t ica n a ly s iso fs e le ct iv eca t a ly t icN O ，r e d u ct io n ( S C R ) ina ca t a ly t icf ilt e r J C h e m ica lE n g in e e r in ga n dP r o ce s s in g ，2 0 0 3 ，4 2 ( 5 ) ：3 6 5 - 3 7 1 5 3W I L B U R NRT ，W R I G H TTL S C Ra m m o n ias lip d is t r ib u t io ninco a lp la n te f f lu e n t sa n dd e p e n d e n ceu p o n S 0 3 J P o w e rP la n tC h e m is t r y ，2 0 0 4 ，6 ( 5 ) ：2 9 5 3 0 4 6 同志勇，高翔，吴杰，等V 。O 。一W O 。一M o O 。T iO ：催化 剂制备及N H a 选择性还原N O x 的试验研究 J 动力 工程，2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：2 8 2 2 8 6 ，2 9 1 Y A N Z h iy o n g ，G A OX ia n g ，W UJ ie 。e ta 1 E x p e r im e n t a l s t u d yo np r e p a r a t io no fV 20 5 一W 0 3 一M 0 0 3 T i0 2 ca t a ly s t sa n ds e le ct iv er e d u ct io no fN qw it hN H 3 J J o u r n a lo fP o w e rE n g in e e r in g ，2 0 0 7 ，2 7 ( 2 ) ：2 8 2 2 8 6 。 2 9 1 7 3 王松岭，董建勋，于遂影，等选择性催化还原烟气脱 硝技术中间试验 J 动力工程，2 0 0 5 ，2 5 ( 6 ) ：8 9 5 9 0 2 W A N GS o n g lin g ，D O N GJ ia n x u n ，Y US u iy in g ，e ta 1 E x p e r im e n t a lr e s e a r cho fp ilo tp la n ts ca leo ns e le ct iv e ca t a ly t icr e d u ct io no fN O xinf lu eg a sI - J J o u r n a lo f P o w e rE n g in e e r in g ，2 0 0 5 ，2 5 ( 6 ) ：8 9 5 9 0 2 8 曲虹霞，钟秦N H 。选择性催化还原N O ，的实验研究 J 南京理工大学学报，2 0 0 2 ，2 6 ( 1 ) ：6 8 7 1 Q UH o n g x ia ，Z H O N GQ in I n v e s t ig a t io no fs e le ct iv e ca t a ly t ic r e d u ct io no fN O 。w it hN H 3 J 。J o u r n a lo f N a n j in gU n iv e r s it yo fS cie n cea n dT e ch n o lo g y ，2 0 0 2 ，2 6 ( 1 ) ：6 8 7 1 ( 上接第4 3 2 页) 2 G UC h u a n g a n g ，M I A OY o n g m ia o B la d ed e s ig no fa x i a b f t o wco m p r e s s o r sb yt h em e t h o do fo p t im a lco n t r o l t h e o r y 。a p p “ca t io na n dr e s u lt s J A S M EJ o u r n a l o f T u r b o m a