（环境科学专业论文）燃煤电厂烟气脱硝装置的仿真设计研究.pdf

i 氧 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文燃煤电厂烟气脱硝装置的仿真设计研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：挺墟鲤 日 期：2 丝，三! 碰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：枉勉 日期：雹盘，至：丛 导师签名： 日期：兰! ! ! ：三：! -r-f ， 1，j1】 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文介绍了主要的烟气脱硝技术，从技术和经济角度对几种烟气脱硝技术进行 了对比与分析，提出了最佳的脱硝技术方案一选择性催化还原法( s c r ) 烟气脱硝 工艺。以选择性催化还原法( s c r ) 烟气脱硝系统为研究对象，通过对系统工艺特 点和反应机理的研究，建立了一系列仿真数学模型，并以这些模型为基础，设计开 发了s c r 烟气脱硝系统的仿真设计软件。软件最终编译成可安装的应用软件包，能 够脱离开发环境在w i n d o w s 系统下独立运行。该仿真软件可为脱硝系统的经济、安 全运行和运行人员培训提供借鉴，并可为进一步研究s c r 系统的优化设计和运行提 供参考依据。论文研究工作基本达到了预期的设计要求。 关键词：s c r 系统，烟气脱硝，模型，仿真设计，软件 a b s t r a c t t h i s p a p e r i n t r o d u c e s k e yd e n o xt e c h n o l o g i e s s e v e r a l k i n d so fd e n o x t e c h n o l o g i e sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e df r o me c o n o m i ca n dt e c h n i c a la s p e c t s ，t h ep a p e r p u t sf o r w a r dt h eo p t i m a ld e n i t r i f i c a t i o np l a n n s e l e c t i v ec a t c l y t i cr e d u c t i o n u s i n gs c r d e n o xs y s t e ma sa no b j e c ta n dt h r o u g hp r o c e s sc h a r a c t e r i s t i ca n dr e a c t i o nm e c h a n i s m s t u d i e ，as e r i e so fm a t h e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e l sh a v eb e e ne s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so f t h e s em o d e l s ，t h es i m u l a t i o nd e s i g ns o f t w a r eo fs c rd e n o xs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d t h es o f t w a r eh a sb e e nf i n a l l yc o m p i l e dt oa na p p l i c a t i o ns o f t w a r eb u n d l e i tc a nr u n i n d e p e n d e n t l yi nw i n d o w s t h es i m u l a t i o nd e s i g nc a n b eu s e di np e r s o n n e lt r a i n i n g ，a n d p r o v i d er e f e r e n c ef o rf u r t h e rs y s t e md e s i g no p t i m i z a t i o na n do p e r a t i o n t h es t u d yo f d i s s e r t a t i o nh a sb a s i c a l l ym e tt h ee x p e c t e dd e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s c rs y s t e m ，f l u eg a sd e n i t r a t i o n ，m o d e l ，s i m u l a t i o nd e s i g n ，s o f t w a r e 1 i j 华北电力人学硕十学位论文日录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 选题背景及意义1 1 2 氮氧化物控制技术概述3 1 2 1 燃烧前n o 。控制技术3 1 2 2 燃烧中n o x 控制技术一一低氮氧化物燃烧技术3 1 2 3 燃烧后n o x 控制技术烟气脱硝技术3 1 3 国内外研究现状4 1 3 1 国内研究现状4 1 3 2 国外烟气脱硝技术研究进展5 1 4 课题研究内容6 第二章烟气脱硝技术的选择7 2 1 烟气脱硝技术介绍7 2 1 1 选择性催化还原烟气脱硝技术7 2 1 2 选择性非催化还原烟气脱硝技术7 2 1 3s n c r s c r 联合烟气脱硝技术8 2 1 4 其他烟气脱硝技术8 2 2 各种烟气脱硝工艺的比较1 0 2 3 催化剂的选取1 l 2 4 还原剂的选取1 2 第三章选择性催化还原脱硝原理与工艺1 4 3 1 选择性催化还原脱硝原理1 4 3 2 选择性催化还原脱硝工艺1 4 3 2 1s c r 脱硝设备的布置1 4 3 2 2s c r 脱硝系统的设计原则及工艺流程1 6 3 3s c r 烟气脱硝系统设计1 7 3 3 1 脱硝反应系统设计1 7 3 3 2 液氨储存及供应系统设计2 0 3 3 3s c r 控制系统设计2 6 3 3 4s c r 系统的保温、油漆和防腐2 8 第四章选择性催化还原脱硝系统的设计及模型2 9 华北电力人学硕十学位论文目录 4 1 锅炉系统模型2 9 4 1 1 烟气流量模型2 9 4 1 2 理论空气量模型2 9 4 1 3 烟气含氮量模型3 0 4 1 4 入口烟气含水量模型3 0 4 1 5 入口烟气含氧量模型3 1 4 1 6 入口烟气含二氧化碳量模型3 1 4 1 7 入口烟气含二氧化硫量模型3 1 4 1 8 入口烟气温度模型3 1 4 2s c r 催化剂设计参数及计算模型3 1 4 2 1 催化剂截面积3 1 4 2 2 催化剂体积3 2 4 2 3 催化剂比表面积3 2 4 2 4 催化剂壁厚3 2 4 2 5 面积速度3 2 4 2 6 催化剂高度3 3 4 2 7 催化剂活性3 3 4 2 8 催化剂孔距3 3 4 2 9 催化剂间距3 4 4 2 1 0 催化剂长度3 4 4 3s c r 反应器设计参数及计算模型3 4 4 3 1 反应器横截面积3 4 4 3 2 反应器高度3 4 4 3 3 空间速率3 4 4 3 4 反应时间3 5 4 3 5 反应温度3 5 4 3 6n h 3 n o 。摩尔比3 5 4 3 7s 0 2 转化率3 6 4 3 8 反应器运行压降3 6 4 3 9 脱硝效率3 6 4 3 1 0 氨逃逸率3 6 第五章燃煤电厂烟气脱硝装置仿真设计软件的开发3 8 5 1s c r 法烟气脱硝系统仿真设计的基础3 8 5 2 软件的主要语言开发工具及其特点3 8 5 3 仿真软件的需求分析3 9 华北电力大学硕士学位论文目录 5 4 仿真软件的内容3 9 5 5 仿真软件的界面设计4 0 5 5 1 启动界面4 0 5 5 2 登录界面4 0 5 5 3s c r 法烟气脱硝系统仿真设计软件的主操作界面4 l 5 5 4s c r 法烟气脱硝系统仿真设计子窗体界面4 2 第六章6 0 0 m w 机组烟气脱硝系统的仿真设计4 9 6 1 燃煤电厂原始资料4 9 6 1 1 锅炉概况4 9 6 1 2 燃煤电厂主要分析资料4 9 6 1 3s c r 反应器性能参数5 1 6 2 利用仿真软件辅助设计脱硝系统5 1 6 2 1 设计计算结果5 1 6 2 2s c r 烟气脱硝系统设计5 3 6 3 性能保证5 7 6 3 1n o x 脱除率、氨的逃逸率5 7 6 3 2 压力损失5 7 6 3 3 脱硝装置可用率5 7 6 3 4 催化剂寿命5 7 6 3 5 系统连续运行温度5 7 6 3 6 噪声5 7 6 4 工程图纸5 7 6 5 运行成本分析( 静态评价方法) 5 8 6 5 1 运行成本分析依据5 8 6 5 2 总投资估算5 8 6 5 3 运行成本分析5 8 6 6s c r 脱硝效率的主要影响因素5 9 6 6 1 反应温度5 9 6 6 2 氨逃逸率6 0 6 6 3 催化剂的性能6 0 6 6 4n h 3 n o x 摩尔比6 0 6 6 5 烟气在反应器内的空间速度6 0 6 6 6 混合程度6 l 6 6 7s 0 2 s 0 3 转化率6 1 第七章结论6 2 t i i 华北电力大学硕士学位论文目录 7 1 结论6 2 7 2 后续工作展望6 3 参考文献6 4 致 谢6 7 附 录6 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况7 5 i v 华北电力人学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章引言 氮氧化物( 主要是n o 、n 0 2 和少量的n 2 0 ，统称为n o x ) 是化石燃料燃烧产生 的主要大气污染物之一，n o x 与大气中的水和氧气反应生成硝酸，是形成酸雨的前 驱气体之一；高浓度的n o x 对呼吸系统有强烈的刺激性；n o x 通过光化学反应产生 光化学烟雾，光化学烟雾会使大气能见度降低，刺激人的眼睛和呼吸系统。在城市 大气中，n o 。可以转化形成p m l o 和p m 2 5 ，这些细颗粒物能在空气中漂浮很长距离 并能达到人肺的最敏感部位。n o ；直接或间接地对人、植物、建筑物和环境造成显 著的危害【。 从世界范围来看，燃料燃烧尤其是燃煤发电是大气中n o x 的主要来源之一。 我国是以煤为主要一次能源的国家，根据国家统计局公布的数据，2 0 0 0 年至 2 0 0 6 年，煤炭占能源消费总量的比重为6 5 ，其中接近5 0 用于发电。这一情况在 今后相当长时期内不会有实质的改变。2 0 0 5 年，全国氮氧化物排放总量达到1 6 0 0 万吨左右，电力行业排放量约占一半【2 】。 随着我国经济的快速发展，对电力的需求量不断增加，发电装机容量也不断增 加。2 0 0 6 年底，全国发电装机容量为6 2 2 亿k w ，其中火电机组容量为4 8 4 亿k w ， 占7 7 8 ，全国发电量达到2 8 3 4 4 亿k w h ，火电发电量为1 8 0 7 3 亿k w h ，占8 3 2 。 预计到2 0 2 0 年，全国发电量将达到4 6 0 0 0 亿k w h ，所需发电装机容量为1 1 亿k w ， 燃煤机组约占6 5 亿k w t 3 1 。n o 。的排放随着火电机组和发电量的不断增加而增加， 若不采取有效控制措施，预计到2 0 2 0 年和2 0 3 0 年，全国n o 。排放量将达到 2 3 6 3 2 9 1 4 万吨和3 1 5 4 4 2 9 6 万吨，将超过美国成为世界第一大n o 。排放国，而火 力发电n o x 排放量占排放总量的比率将达到5 0 左右。 世界上以煤为主要一次能源的发展和地区( 日本、欧洲、美国等) 较早就对大 气的n o 。污染给予了重视，制定了严格的火电厂n o 。排放标准，研究开发了多种火 电厂n o 。污染控制技术，火电厂普遍采用了n o x 污染控制技术和装置。目前，开发 和应用的火电厂n o 。控制技术主要包括低n o 。燃烧和烟气脱硝两类技术【4 1 。低n o x 燃烧技术只能达到3 0 5 0 的n o 。控制效率，要满足严格的环保标准，必须采用烟 气脱硝技术。美国最初是在火电厂采用低n o 。燃烧技术，随着排放标准日趋严格， 已经开始逐步采用烟气脱硝技术【5 】。 与发达国家相比，我国对大气n o 。的污染治理开始较晚，n o 。污染控制技术相 对落后。1 9 9 6 年我国颁布的火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ) ，对燃 1 华北电力人学硕十学位论文 煤电站n o 。的排放提出了要求，但标准较低( 其中规定第三时段火电厂n o 。最高允 许排放浓度为6 5 0 m g n m 3 ) 还不如仅仅采用低n o 。燃烧技术达到的水平。进入2 l 世纪，我国加快了n o ，污染控制和相应立法的步伐，2 0 0 3 年1 月2 日，我国发布 了国务院第3 6 9 号令排污费征收使用管理条例，自2 0 0 4 年7 月开始征收氮氧化 物排污费；2 0 0 3 年1 2 月颁布了新的火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) ， 对燃煤电站n o 。的排放提出了更严格的要求，新标准实施后，对新建燃煤机组均要 求配置低n o 。燃烧器并预留脱硝装置的场地。上海、江苏、浙江等经济发达地区一 些新建大型燃煤发电机组需要安装烟气脱硝装置。对于北京地区，由于其针对火电 厂污染物的地方环保法规较国家法规更为严格，同时受2 0 0 8 年北京奥运会的要求， 开始对城区内老火电机组进行烟气脱硝改造【6 】。 我国是以燃煤发电为主的发展中国家，伴随着发电行业的快速发展，火电厂n o 。 的排放迅速增加。如不进一步采取有效的控制措施，中国氮氧化物排放量将继续增 长，2 0 2 0 年将达到2 9 0 0 万吨左右【7 】。其中火电厂排放的氮氧化物占全国排放总量 的比例还将继续增大。随着国家环保要求的日益严格，国家环保标准 t v 由f 2 0 6 5 0 l 1 0 06 5 0 v a i l 2 0 4 5 0 燃油锅炉 6 5 04 0 02 0 0 燃油 1 5 0 燃气轮机组 燃气8 0 “十一五”是我国经济发展以及电力工业建设和体制改革的重要时期，也是火 电厂氮氧化物控制的关键时刻，国家将出台并实施一系列污染防治措施。目前我国 的氮氧化物排放量巨大，对酸雨、空气质量、地面臭氧浓度的影响越来越大，因此 在“十一五”期间，要加强对火电厂氮氧化物排放控制工作，严格加强n o 。排放标 2 华北电力人学硕十学位论文 准，新建火电机组必须采用低n o 。燃烧技术，老机组要分期实施低氮燃烧改造工作， 要建成一批烟气脱硝示范工程。我国新建的燃煤发电机组全部采用低n o 。燃烧技 术，并对老机组进行低n o 。燃烧技术改造。随着我国环保力度的加大，需要在火电 厂采用烟气脱硝装置，目前市场已具有一定规模，在“十一五 期间，烟气脱硝装 置市场将会有较大发展。 1 2 氮氧化物控制技术概述 n o 。的控制方法主要有三种：( 1 ) 燃料脱硝；( 2 ) 改进燃烧方式和生产工艺， 在燃烧中脱硝；( 3 ) 烟气脱硝，即燃烧后n o 。控制技术。 1 2 1 燃烧前n o x 控制技术 燃烧前对n o x 产生的控制，就是通过处理将燃料煤转化为低氮燃料。通常固体 燃料的含氮量为0 5 2 5 ，近年来，一些国家开始进行燃料脱硝研究，但其难度很 大，成本很高，有待于今后继续研究。就目前我国资源结构和能源政策的现状来说， 使用低氮燃料这一措施难以实现，也未见有实施业绩的报道说明。 1 2 2 燃烧中n o 。控制技术低氮氧化物燃烧技术 低n o 。燃烧技术是通过改变燃烧条件来降低燃料燃烧过程产生的n o 。燃烧控 制的手段主要采用低n o 。燃烧器、烟气再循环、分级燃烧和水或蒸汽喷射等f 3 】。与 尾部排放脱硝技术相比，低n o 。燃烧技术相对简单，但该方法脱硝效率有限，且往 往降低热效率，使得不完全燃烧热损失增加。 1 2 3 燃烧后n o 。控制技术烟气脱硝技术 采用低n o 。燃烧技术，是降低燃煤锅炉的n o 。排放值最主要也是比较经济的技 术措施。但是通常低n o x 燃烧技术只能降低n o 。排放值的3 0 - - - 5 0 ，要进一步降低 n o 。的排放，必须采用烟气脱硝技术。 烟气脱硝工艺可以分为两大类：湿法和干法【9 1 。无论是湿法还是干法，依据脱 硝反应的化学机理，又可以分为催化还原、吸收和吸附三类。目前，干法脱硝占主 流地位。其原因是n o 。与s 0 2 相比，缺乏化学活性，难以被水溶液吸收；n o 。经还 原后成为无毒的n 2 和h 2 0 ，脱硝的副产品便于处理；以n h 3 为主的氨基还原剂对 烟气中的n o 可选择性吸收。干法主要包括选择性催化还原法( s c r ) 和选择性非 催化还原法( s n c r ) j o 】。湿法主要包括酸吸收法和碱吸收法等，与干法相比，其 主要缺点是装置复杂且庞大，排水要处理，内衬材料腐蚀，副产品处理较难，电耗 大。 3 华北电力人学硕+ 学位论文 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 我国从2 0 世纪8 0 年代初就开始了火电厂烟气脱硝的研究工作，取得了一定的 成绩。目前我国己建、部分在建和拟建的燃煤电站脱硝工程【1 ，见表1 2 。 表1 2我国已建、部分在建和拟建的燃煤电站脱硝工程 建设状态项目技术来源 漳州后石电厂6 x 6 0 0 m w中鼎& 日立s c r 已建 江苏太仓电厂2 x 6 0 0 m w江苏苏源环保s c r 厦门嵩屿电厂4 3 0 0 m w 上海电气集团m ls c r 广州恒运热电厂扩建工程2 x3 0 0 m w 东锅& 鲁奇s c r 浙江宁海电厂1x 6 0 0 m w 新大能源& 日立s c r 广东台山电厂l 6 0 0 m w 浙大能源& t o p s o es c r 宁波宁海电厂6 0 0 m w 国华北京第一热电厂4 x1 0 0 m w 大唐北京高井发电厂4 1 0 0 m w + 4 5 0 m w 在建与拟建华电长沙电厂2 x 6 0 0 m w 大唐浙江乌沙山电厂1 6 0 0 m w 山西阳城发电厂二期扩建工程2 6 0 0 m w 山西鲁晋王曲发电有限责任公司一期工程1 2 0 0 m w 上海外高桥第三发电厂工程三期1 0 0 0 m w 天津市东北郊热电厂新建项目6 0 0 m w 三河发电厂二期工程热电联产机组2 3 0 0 m w 北京市草桥燃气联合循环热电厂工程6 0 0 m w 随着我国n o x 排放标准的不断严格，仅仅依靠燃烧控制已不能满足要求，因此 实施烟气脱硝已经摆上议事日程。目前国内已建成的一个s c r 工程，是采用全套进 口和关键设备的方法建设的，如由台塑美国公司( p l a s t i c sc o r p u s a ) 投资兴建、 由华阳电业有限公司建设和运行的福建后石电厂( 装机容量为6 x 6 0 0 m w ) 。其中l 、 2 、3 号机组配套引进的选择性催化脱硝装置分别于1 9 9 9 年1 1 月、2 0 0 0 年6 月和 2 0 0 1 年9 月与主体工程同时投入运行，该装置是我国大陆6 0 0 m w 机组安装的第一 台烟气脱硝处理装置。这些装置建成投产的运行效果虽然比较好，但同时也存在着 建设投资大、运行费用高、不适应国内习惯等问题，不利于推广。而采用技术引进 支持的方法还存在着需要支付高额的技术使用费等限制条件，将在工期、技术发展 等方面受制于人。 据悉，我国第一个拥有自主知识产权烟气脱硫技术的江苏苏源环保工程股份有 4 华北电力人学硕十学位论文 限公司，采用精准优化、个性化、集刺6 ( 0 1 2 ) 技术，自主研发出适合我国大型火电 机组选择性催化还原( s c r ) 烟气脱硝工艺及装备，于2 0 0 6 年8 月应用于国华太仓发 电有限公司2 x 6 0 0 m w 超临界发电机组，再次成为国内第一家掌握了大型火电机组 烟气脱硝核心技术的公司，能够形成自主知识产权，整体技术性能达到国际先进水 平，具有重要的工程应用价值，但缺乏运行管理经验和必要的效益分析【l2 1 。 1 3 2 国外烟气脱硝技术研究进展 烟气脱硝是目前世界上发达国家普遍采用的减少氮氧化物排放的方法，烟气脱 硝能达到很高的脱除效率，而其中应用较多的有选择性催化还原法( s c r ) 、选择性 非催化还原法( s n c r ) 。 s n c r 技术是2 0 世纪七十年代发展起来的技术，该技术对n o x 的脱除效果与 还原剂的喷射、还原剂与烟气的混合、炉膛内烟气温度、停留时间等因素直接相关， 由于炉膛内烟气流场、温度场和浓度场十分复杂并会随着锅炉工况的变化发生较大 变化，这些变化有时是难以预测的，因此，使得s n c r 技术难以取得高的n o 。脱除 效率。对于小型工业锅炉和小型电站锅炉等，其炉膛较小，烟气流场、温度场和浓 度场比大型锅炉较为均匀，还原剂的喷射和混合也易于控制，因此，n o x 脱除效率 较高；而对于大型锅炉，n o 。脱除效率较低。s n c r 的典型n o 。脱除效率为2 5 - - - 4 0 ， 一般不超过5 0 。与s c r 技术相比，s n c r 的优点是其设备较少，初投资和运行费 用低很多，因此，虽然n o x 脱除效率低，仍然有一定程度应用。s n c r 最初主要用 于小型工业锅炉和工业燃烧装置，现在开始用于燃煤发电机组，有关研究工作也一 直在进行以提高其n o 。脱除效率。从s n c r 技术发展状况来看，目前，较适用于中 小容量发电机组1 1 3 ”j 。 s c r 技术是目前应用最广、最有效的烟气脱硝技术，其受锅炉运行条件影响较 小，反应条件易于控制，能够达到9 0 以上的脱硝效率【1 6 1 。s c r 法的发明权属于美 国，而日本率先于7 0 年代对其实现了商业化。目前这一技术在发达国家已经得到 了比较广泛的应用，欧洲、日本、美国是当今世界上对燃煤电厂氮氧化物排放控制 最先进的地区和国家。在这些地区和国家，除了采取燃烧控制之外，都大量地使用 s c r 烟气脱硝技术。2 0 0 2 年日本已共有折合总容量大约为2 3 1 g w 的s c r 设备在 电力工业上使用。德国于8 0 年代就引进技术，并规定发电量5 0 m w 以上的电厂都 得配备s c r 脱除n o 。系统，其火力发电厂的烟气脱硝装置中s c r 法大约占9 5 。 美国在1 9 9 8 年颁布氮氧化物法令时，e p a 预计7 5 g w 的选择性催化还原系统将被 安装以便满足氮氧化物法令的要求，至今已有超过1 0 g w 的s c r 系统被安装，并 已经在臭氧季节运行来实现早先关于减少排放量的承诺。氮氧化物控制技术近十年 来在美国得到了迅速发展，各种低n o 。燃烧技术和烟气脱氮技术的开发使得降低 5 华北电力人学硕十学位论文 n o 。排放有了技术保证【1 7 】。日本和欧洲在应用s c r 方面所取得的经验已有大量的文 献资料报道。关于氨的逃逸量、空间速度、n o 。的脱除率、空气预热器的设计和运 行等在日本和欧洲都有很大提高【他砣0 1 。目前应用的烟气脱硝装置中，s c r 技术占绝 大多数( 所占比例约9 5 ) ，s c r 技术被认为是目前乃至今后相当长时间内最主要 的烟气脱硝技术。 1 4 课题研究内容 本课题以某燃煤电厂6 0 0 m w 机组配套的烟气脱硝装置为研究对象，脱硝技术采 用s c r 法，对s c r 烟气脱硝系统进行仿真设计。主要研究内容如下： 1 分析了燃煤电厂排放的烟尘气体，通过对其性质进行分析，综合考虑锅炉 型号、煤种成分、灰分、大气环境条件等方面因素，选择了适用于燃煤电厂的烟气 脱硝技术，并确定脱硝工艺。 2 针对燃煤电厂烟气脱硝系统的结构形式，建立了一系列的仿真设计数学模 型，根据模型可计算出s c r 反应器本体结构参数和催化剂设计参数，为实际工程提 供了理论依据。 3 依据模型开发了一套s c r 法烟气脱硝系统的仿真设计软件。软件最终编译成可 安装的应用软件包，能够脱离开发环境在w i n d o w s 系统下独立运行。该软件能推广到 同类型的不同机组燃煤电厂的s c r 法烟气脱硝系统的设计中，具有通用性。 4 对某燃煤电厂6 0 0 m w 机组配套的$ c r 法烟气脱硝系统进行了仿真设计，并 完成脱硝系统的设备选型、脱硝系统的总体布置( 包括s c r 烟气脱硝氨站工艺流程 图、s c r 脱硝反应器工艺流程图、氨区平面布置图和剖面图、主要系统部件布置图1 以及烟气脱硝系统的费用估算。 5 分析了影响s c r 脱硝效率的主要因素，如反应温度、空间速度、氨逃逸率、 催化剂性能等。 6 华北电力人学硕十学位论文 第二章烟气脱硝技术的选择 2 1 烟气脱硝技术介绍 2 1 1 选择性催化还原烟气脱硝技术 选择性催化还原法( 简称s c r ) 是指在催化剂和氧气存在的条件下，在温度 ( 2 8 0 - 4 2 0 1 2 ) 范围内，还原剂( 氨、c o 或碳氢化合物等) 有选择地将烟气中的 n o x 还原生成为n 2 和h 2 0 来减少n o x 排放的技术。其原理首先由e n g e l h a r d 公司发 现并于1 9 5 7 年申请专利，后来日本在该国环保政策的驱动下，成功研制出了现今 被广泛使用的v 2 0 5 t i 0 2 催化剂，并分别于1 9 7 7 年和1 9 7 9 年在燃油和燃煤锅炉上 成功投入商业运营。s c r 法是国际上应用最多、最为成熟且最有成效的一种烟气脱 硝技术。该法的优点是：由于使用了催化剂，故反应温度较低；净化率高，可达8 5 以上；工艺设备紧凑，运行可靠：还原后的氮气放空，无二次污染。目前，s c r 技 术的投资和日常操作费用偏高，但这个缺点正随着新技术的开发和应用逐渐被克 服。 2 1 2 选择性非催化还原烟气脱硝技术 选择性非催化还原脱硝【2 1 】( s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ，s n c r ) 是用n h 3 、 尿素等还原剂喷人炉内与n o 。进行选择性反应，不用催化剂，因此必须在高温区加 人还原剂。还原剂喷人炉膛温度为9 0 0 c 1 1 0 0 * c 的区域，该还原剂迅速热分解成 n h 3 ，并与烟气中的n o x 进行s n c r 反应生成n 2 ，该方法是以炉膛为反应器。其 中n h 3 或尿素作为还原剂还原n o 。的主要反应为： n h 3 为还原剂：4 n o + 4 n h 3 + 0 2 _ 撕+ 6 h 2 0 公式( 2 1 ) 尿素为还原剂：) 2 c d _ 觚+ c o 公式( 2 2 ) m 嘞+ n o m + 仍0 公式( 2 3 ) 2c 0 + 2n o 岛+ c c b公式( 2 4 ) 实验证明，温度低于9 0 0 c 时，n h 3 的反应不完全，会造成所谓的氨泄漏；而 温度过高，n h 3 氧化为n o 的量增加，导致n o 、排放浓度增大，所以s n c r 法的温 度控制是至关重要的。 此法的脱硝效率约为4 0 7 0 ，多用于低n o 。燃烧技术的补充处理手段。 s n c r 技术目前的趋势是用尿素代替氨作为还原剂，近几年的研究表明，用尿素作 为还原剂时，n o 。会转化为n 2 0 ，n 2 0 会破坏大气平流层中的臭氧。除此之外，n 2 0 7 华北电力人学硕十学位论文 还被认为会产生温室效应，因此产生n 2 0 的问题已引起人们的重视。但较高浓度的 逃逸n h 3 与s 0 2 结合，容易出现由于硫酸铵的生成引起在加热器上的沉积和飞灰中 高n h 3 浓度等问题。 s n c r 与s c r 相比运行费用低，旧设备改造少，尤其适合于改造机组，仅需要 氨气储槽和喷氨装置，投资较s c r 法小。但存在还原剂耗量大，n o 。脱除效率低等 缺点，温度窗口的选择和控制也比较困难，同时不同的锅炉型式和负荷状态需要采 用不同的工艺设计和控制策略，设计难度较大。s c ri 艺与s n c r 工艺的比较，见 表2 1 。 表2 1s c r 与s n c r 工艺比较 工艺名称选择性催化还原法( s c r )选择性非催化还原法( s n c r ) n o 。脱除效率惕 7 0 9 03 0 8 0 操作温度 2 0 0 一5 0 08 0 1 1 0 0 n h 3 n o 。摩尔比 o 4 一1 00 ，8 ，2 5 氨泄漏1 0 r 6 2 0 0 0 0 运行小时。还应有防止催化剂中毒和碎裂的措施。 ( 8 ) 催化剂应能保证较低的氨逃逸率和s 0 2 s 0 3 转化率。通常应能确保氨的逃 逸率 3 m g k g ，s 0 2 1 s 0 3 转化率应 l 。 ( 9 ) 催化剂的设计应考虑到烟气流速与氨氮摩尔比的不稳定因素。 催化剂的结构型式很多，采用何种型式，应视不同用途而定。催化剂按结构一 般有蜂窝式、板式和波纹板式。蜂窝式催化剂为整体挤压成型，载体和活性成分在 催化剂内均匀分布【25 1 。板式催化剂和波纹板式催化剂滚压或浸泡干燥成型；蜂窝状 催化剂内外介质均匀无骨架材料，板式催化剂和波纹板式催化剂采用不锈钢网或纤 维作为骨架材料。图2 1 所示为蜂窝式脱硝催化剂。图2 2 所示为板式脱硝催化剂。 华北电力人学硕+ 学位论文 图2 3 所示为波纹板式脱硝催化剂。三种催化剂型式性能的比较，见下表2 4 。 图2 1 蜂窝式催化剂图2 2 板式催化剂图2 3 波纹板式催化剂 表2 - 4 催化剂型式性能比较 性能参数蜂窝式板式波纹状 基材整体挤压不锈钢金属板玻璃纤维板 催化剂活性良良良 压力损失中低高 抗磨损性一般良 一般 堵塞可能性中低高 催化剂体积中高中 模块重量中 中 中 价格高中低 可靠性高高一般 反应器体积低高低 应用范围燃煤、燃油锅炉燃煤锅炉燃油、燃气锅炉 耐热性良良中 通过表2 - 4 我们可以看出，三种催化剂的成分和性能比较接近，主要区别在于 几何形状，在相同节距情况下，板式抗堵灰性能较好，蜂窝式具有较高的比表面积、 易改变节距、适应不同工况、回收率高等优点。通过技术经济的比较，本设计选用 蜂窝式催化剂，基材是t i 0 2 + w 0 3 ，活性化学成分是v 2 0 5 【2 6 1 。 2 4 还原剂的选取 对于s c r 工艺，采用的还原剂有尿素、氨水和纯氨。尿素法是先将尿素固体颗 粒在容器中完全溶解，然后用泵将溶液送到水解槽中，通过热交换器将溶液加热至 反应温度后与水反应生成氨气；氨水法是将2 5 的氨水溶液，将其置于储存罐中， 然后通过加热装置使其蒸发，形成氨气和水蒸气；纯氨法是将液氨在蒸发器中加热 成氨气，然后与稀释风机的空气混合成氨气体积含量为5 的混合气体后送入烟气 1 2 华北电力人学硕十学位论文 系统。 氨系统的三种方法原料消耗量的比例为：纯氨：氨水( 2 5 ) ：尿素= l ：4 ：1 9 。 制氨系统的三种方法比较，见表2 5 。 表2 5 三种还原剂的比较 项目纯氨氨水尿素 还原剂费用较贵便宜稍贵 运输费用便宜贵便宜 安全性有毒有害无害 储存条件高压常压常压，干态 储存方式储罐( 液态)储罐( 液态)料仓( 微粒状) 初投资费用便宜贵贵 运行费用便宜贵贵 设备安全要求有法律规定需要基本上不需要 氨系统的三种方法中，使用尿素制氨的方法最安全，但是，其设备投资、运行 总费用最高；纯氨法的运行、设备投资费用最低，但是，纯氨的储存需要较高的压 力，安全性要求较高。氨水法介于二者之间。鉴于纯氨法应用广泛，储运量小，有 利于布置，同时考虑到国外应用的情况和电厂较高的管理水平，经综合比较后，选 择纯氨法为脱硝系统提供还原剂。 1 3 华北电力人学硕十学位论文 第三章选择性催化还原脱硝原理与工艺 3 1 选择性催化还原脱硝原理 选择性催化还原法( 简称s c r ) 脱硝原理【2 7 1 是在一定的温度和催化剂的作用下， 还原剂有选择地把烟气中的n o 。还原为无毒无污染的n 2 和h 2 0 ，如图3 1 所示。 还原剂可以是碳氢化合物( 如甲烷、丙烯等) 、氨和尿素等，工业应用的还原剂主 要是氨，其次是尿素。s c r 主要反应的化学方程式2 8 】如下： 图3 1s c r 反应原理示意图 4 n o + 4 n h 3 + 0 2 4 n 2 + 6 h 2 0 6 n o + 4 n h a 5 n 2 七6 h 2 0 6 n 0 2 + 8 n h 3 7 n 2 + l2 h 2 0 2 n 0 2 + 4 n h 3 + o f 4 n 2 + 6 h 2 0 公式( 3 1 ) 公式( 3 - 2 ) 公式( 3 - 3 ) 公式( 3 4 ) 在没有催化剂的情况下，上述化学反应只在很窄的温度范围内( 9 8 0 ) 左右进 行，通过选择合适的催化剂，反应温度可以降低，并且可以扩展到适合电厂实际使 用的2 8 0 4 2 0 范围。 3 2 选择性催化还原脱硝工艺 3 2 1s c r 脱硝设备的布置 s c r 脱硝反应系统通常有高温高尘、高温低尘以及低温低尘三种布置方式【2 9 1 ， 见图3 2 。 1 4 华北电力人学硕+ 学位论文 烟囱 i 0 5 c ( a ) 高尘布置方式 烟囱 1 0 5 c ( b ) 低尘布置方式 烟囱 1 0 5 ( c ) 尾部布置方式 图3 2s c r 反应器的布置方式 ( 1 ) 高温高尘布置方式：即将反应器置于空气预热器之前。该方式应用最为广 泛，其优点是进入反应器的烟气温度达到3 0 0 - - 4 0 0 c ，多数催化剂在此温度范围内 具有足够的活性，烟气不需要再热即可获得较好的脱硝效果。但催化剂处于高尘烟 气中，催化剂的寿命会受到一些影响，飞灰中的k 、n a 、c a 、a s 等微量元素会使 催化剂污染或中毒；飞灰磨损反应器并使蜂窝状催化剂堵塞；烟气温度过高会使催 化剂烧结或失效。 ( 2 ) 高温低尘布置方式，即将反应器置于高温电除尘器和空气预热器之间。其 优点是催化剂不受飞灰的影响，缺点是除尘器在高温下运行的技术并不成熟。 ( 3 ) 低温低尘布置方式，即将反应器置于除尘器和烟气脱硫系统之后。其优点 是催化剂不受烟气中s 0 3 等毒性气体的影响，但是，目前低温催化剂技术尚不成熟， 一般需用换热器或者燃料燃烧的方法将烟气温度提高到高温催化剂所必须的反应 温度。 商业装置中，在正常运行范围内，微量元素的污染程度是可以接受的，而且现 在催化剂对于微量元素的抗污染能力也逐渐增强。采取垂直布置的反应器和吹灰措 施也可以解决飞灰堵塞和催化剂腐蚀问题，因此大多数s c r 反应器都采用第一种布 置方式，这样就可以避免需要将烟气加热到催化剂的最佳反应温度而降低了整个系 统的热效率。 15 华北电力人学硕十学位论文 高温高尘布鼍方式有垂直气流布置和水平气流布置两种形式，在燃煤锅炉中， 由于烟气中的含尘量较高，一般采用垂直气流方式。 3 2 2s c r 脱硝系统的设计原则及工艺流程 3 2 2 1s c r 脱硝系统的设计原则 本论文6 0 0 m w 机组烟气脱硝系统的基本设计原则如下。 ( 1 ) 催化剂采用蜂窝式催化剂，并设置声波吹灰器；以液氨作为脱硝还原剂。 ( 2 ) 烟气脱硝系统采用s c r 法进行1 台机组1 0 0 烟气量的脱硝处理。烟气脱 硝工艺设计是一个一体化和相互协调的设计，它包括烟气脱硝工艺本身的设计和相 关专业，如电气系统与照明、仪表与控制系统、土建、采暖通风及空调、供排水系 统、通讯工程、消防与火灾报警等的设计。 ( 3 ) 在锅炉燃用设计煤种b m c r 工况下处理全烟气量时保证脱硝效率为9 0 以上。 ( 4 ) 在设计煤种的烟气条件下，烟气中n o x 含量增加2 5 时，经脱硝后的n o x 排放应满足环保排放要求。进口烟气中n o x 含量在设计值的1 2 5 2 0 0 范围内变化 时，s c r 脱硝装置能够安全运行。 ( 5 ) 当烟气温度在2 8 0 4 2 0 范围内时，烟气脱硝系统应能安全、可靠和连续 运行。 ( 6 ) 烟气脱硝系统的使用寿命不低于主体机组的寿命( 3 0 年) 。 3 2 2 2s c r 脱硝系统工艺流程 s c r 系统由脱硝反应系统和还原剂储存及供应系统组成。s c r 烟气脱硝工艺流 程，见图3 3 。 其简要工艺流程如下：在液氨储存和供应区，液氨通过卸料软管由槽车内进入 液氨储罐。卸车时，卸料压缩机抽取液氨储罐内的氨气经加压后进入槽车，槽车内 的液氨被压入液氨储罐。液氨储罐液位到达高位时自动报警并与进料阀和卸料压缩 机连锁，切断进料阀和停止卸料压缩机运转。储罐内的液氨通过出料管由储罐内的 压力送至液氨蒸发槽，液氨在蒸发槽内经4 5 左右的水浴蒸发成氨气，送到氨气稳 压罐。氨气经调压阀减压后送入氨气空气混合器中，与来自稀释风机的空气混合， 通过喷氨格栅( a i g ) 的喷嘴喷入烟道中，与烟气均匀混合后进入催化反应器。n h ， 与n o 。在催化剂的作用下发生催化还原反应，n o x 还原为无害的n 2 和h 2 0 。n 2 和 h 2 0 随烟气进入下级省煤器及下级空气预热器，并最后通过烟囱排出，完成烟气脱 硝处理。 1 6 华北电力人学硕十学位论文 图3 - 3s c r 烟气脱硝工艺流程图 3 3s c r 烟气脱硝系统设计 s c r 脱硝工艺系统由s c r 反应器本体及辅助系统部分、还原剂储存及供应系 统部分组成。 3 3 1 脱硝反应系统设计 3 3 1 1 系统概述 脱硝反应系统主要包括烟气系统、s c r 反应器壳体、催化剂、注氨格栅及吹灰 器等设备。氨气和空气在混合器和管路内进行稀释、均匀混合后，通过氨喷射系统 与烟气在上级空