SCR烟气脱硝催化剂模型的建立与研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

中图分类号： u d c ： 学校代码： 1 0 0 5 5 密级：公开 高恐犬淫 硕士学位论文 s c 娴气脱硝催化剂模型的建立与研究 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no f f l u eg a s d e n i t r a t i o nb a s e do n s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o nc a t a l y s t s 南开大学研究生院 二o _ 二一年五月 南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 赵宝 2 0 1 1 年6 月6 日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目s c r 烟气脱硝催化剂模型的建立与研究 姓名 赵宁学号 2 1 2 0 0 8 0 5 5 2 答辩日期 2 0 1l 加5 2 9 论文类别 博士口 学历硕士口硕士专业学位高校教师口同等学力硕士口 院系所 环境科学与工程学院 专业 环境工程 联系电话 e m a i l 通信地址( 邮编) ： 备注： 是否批准为非公开论文 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 舢7舢8肼720 舢0川2y 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 赵室2 0 1 1 年6 月 6 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限2 0年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期 2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 氮氧化物( n o x ) 是主要的大气污染物之一，不仅对人类和动植物的健康有 危害作用，还会造成酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏和温室效应等诸多环境问 题。选择性催化还原技术( s c r ) 是目前国内外火电厂烟气脱硝的主流工艺，具 有经济高效、运行稳定等优点。随着n q 排放标准的日趋严格，s c r 烟气脱硝 技术必将得到更为广泛的推广。s c r 催化剂是s c r 烟气脱硝技术的核心所在， 对s c r 催化剂建立数学模型并进行模拟研究具有经济、快捷和实用等特点，对 于更好地认识s c r 催化反应及进行s c r 催化剂优化设计均具有积极的意义。 本文针对目前已商业化的v 2 0 5 w 0 3 瓜0 2 催化剂建立了催化剂单孔道数学 模型。模型以e r 机制为动力学基础，同时考虑了氨氧化的副反应及孔道内反 应的放热效应。经过模拟结果与相关实验结果对照，证明了模型的合理性。利 用该模型计算了孔道内的浓度和温度分布，模拟研究了不同运行参数及催化剂 结构参数对脱硝效率的影响。模拟计算结果表明，沿孔道方向反应物浓度逐渐 降低，而温度略有提高。在反应温度为3 2 0 - , - 3 8 0 、氨氮比为1 o 1 0 5 和空速为 3 2 0 0 h j 的运行条件下，单孔道s c r 的n o 转化率可达到6 5 以上。另外，通过 对催化剂孔形状和孔节距大小的模拟计算发现，催化剂孔节距在设计时应小于 1 0 m m 为宜，而蜂窝式催化剂较板式和波纹板式具有更高的脱硝效率。 本文还以目前实验研究中较普遍的m n o x - c e 0 2 催化剂为模拟研究对象，以 幂函数反应速率模型为其动力学基础，建立了低温s c r 催化剂反应模型，计算 了氨氮比、空速、0 2 浓度、n o 入口浓度及催化剂形状等不同参数对催化剂脱硝 效率的影响，并模拟了催化剂孔道和壁面的反应物浓度分布情况。计算结果显 示，当反应温度大于1 5 0 时，该催化剂的脱硝效率可达9 0 以上。运行时的氨 氮比应控制在0 9 1 o 之间，可同时满足s c r 反应需求和氨逃逸率的控制要求。 当n o 入口浓度从5 0 0 m g m 3 增加到2 5 0 0 m g m 3 时，催化剂的脱硝效率略有降低， 但总体保持在8 5 以上。沿孔道方向反应物浓度逐渐降低，且在催化剂孔道前 1 4 段降低幅度较大，而催化剂壁厚的增加会导致催化剂壁面的实际利用率降低， 另外低温催化剂与中温催化剂相比所需的反应壁厚应更小，计算结果显示壁厚 小于l m m 即可满足脱硝需求，这为实际工业应用中低温s c r 催化剂的设计提供 摘要 重要的参考。 关键词：选择性催化还原烟气脱硝数学模型s c r 催化剂单孔道 a b s t r a c t a b s t r a c t n i t r o g e no x i d e s ( n q ) a r eo n e o ft h em a j o ra i rp o l l u t a n t s ，w h i c ha r eh a r m f u lt o t h eh e a l t ho fh u m a n s ，a n i m a l sa n dp l a n t s t h e yc a l la l s oc a u s em a n ye n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ，s u c ha sa c i dr a i n , p h o t o c h e m i c a ls m o g , o z o n ed e p l e t i o na n dt h eg r e e n h o u s e e f f e c t a st h em o s tm a t u r e ，c o s t e f f e c t i v et e c h n o l o g yo ff l u eg a sd e n i t r i c a t i o n , s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ( s c r ) i sw i d e l yu s e di nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t sa t h o m ea n da b r o a d w i t ht h es t r i n g e n tc o n t r o lo ft h en qe m i s s i o ni n c r e a s i n g l y , s c r t e c h n o l o g yw i l lb em o r ew i d e l yp r o m o t e d s c rc a t a l y s ti st h ek e yf a c t o ro fs c rf l u e g a sd e n i t r a t i o n m o d e l i n go ft h es c rc a t a l y s ta n ds i m u l a t i o nf o r t h es c r r e a c t i o na r e o fe c o n o m i c ，e f f i c i e n ta n dp r a c t i c a la d v a n t a g e s ，w h i c hh a v eap o s i t i v ee f f e c tf o rt h e b e t t e ru n d e r s t a n d i n go fs c rr e a c t i o na n dt h eo p t i m a ld e s i g no fs c r c a t a l y s t b a s e do ne l e y - r i d e a lk i n e t i cm e c h a n i s m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs c r r e a c t i o np r o c e s sf o rc o m m e r c i a lv 2 0 5 - w o s t i o zc a t a l y s tw a se s t a b l i s h e di nt h i s p a p e r t h es i d ee f f e c to fa m m o n i ao x i d a t i o na n dt h et h e r m a le f f e c to nt h er e a c t i o ni n t h ec h a n n e lw e r ec o n s i d e r e ds i m u l t a n e o u s l yi nt h em o d e l i n g t h em o d e lw a st e s t i f i e d t 0b er e l i a b l eb yc o m p a r e dw i t l lt h e e x p e r i m e n t a ld a t a t h ec o n c e n t r a t i o na n d t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n si nt h ec h a n n e lw e r es i m u l a t e db yt h em o d e l t h ee f f e c to f d i f f e r e n to p e r m i o np a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so nd e - n o xe f f i c i e n c yw a s a l s os t u d i e d i tw a ss h o w nt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fr e a c t a n t sd e c r e a s e da l o n gt h e c h a n n e ld i r e c t i o n , b u tt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e ds l i g h t l y a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t e d r e s u l t s ，t h es c rd e n 0 j re f f i c i e n c yf o rt h es i n g l ec h a n n e lc a nr e a c ho v e r6 5 ，f o rt h e o p e r a t i n gc o n d i t i o no f t e m p e r a t u r e3 2 0 - - 3 8 0 c ，n h s n of e e dr a t i o1 0 - 1 0 5 ，a n dg a s h o u r l ys p a c ev e l o c i t y3 2 0 0 h 1 b e s i d e s ，a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f c a t a l y s t sp i t c ha n ds h a p e , t h ep i t c ho fc a t a l y s ts h o u l db ed e s i g n e dl e s st h a n10 m m ； t h eh o n e y c o m bc a t a l y s tw a so ft h eh i g h e rd e n qe f f i c i e n c yb yt h ec o m p a r i s o no f t h r e et y p e so fc a t a l y s t b a s e do nt h er a t eo r d e rk i n e t i cm o d e l ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fl o w t e m p e r a t u r es c rr e a c t i o nf o rc o m m o nm n o x - c e ( ) 2c a t a l y s tw a se s t a b l i s h e d , t o i i i s i m u l a t et h es e l e c t i d i f f e r e n to p e r a t i o n 0 2c o n c e n t r a t i o n , n oi n l e tc o n c e n t r a t i o n , a n dc a t a l y s ts t r u c t u r e ，o nd e - n o 工e f f i c i e n c y w a sc a l c u l a t e db yt h em o d e l t h ec o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni nt h ec a t a l y s t sc h a n n e l a n dw a l lw a sa l s os i m u l a t e d i tw a ss h o w nt h a tt h ed e - n o xe f f i c i e n c yo ft h i sc a t a l y s t c o u l dr e a c ho v e r9 0 w h e nt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a sh i g h e rt h a n15 0 c t h e c a l c u l a t e dr e s u l t sc o u l dm e e tt h ed e - n o xr e q u i r e m e n t sf o rt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no f n h 3 n of e e dr a t i o0 9 1 0 w h e nn o i n l e tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e df r o m5 0 0 m g m 3 t o2 5 0 0 m g m s ，t h ed e n qe f f i c i e n c yo ft h i s c a t a l y s td e c r e a s e ds l i g h t l yb u ts t i l l m a i n t a i n e da b o v e8 5 t h ec o n c e n t r a t i o no fr e a c t a n t sd e c r e a s e da l o n gt h ec h a n n e l d i r e c t i o n , a n dt h er e d u c t i o nr a t ew a sv e r yl a r g ei nt h ef i r s t1 4c a t a l y s tc h a n n e l w i t h t h ei n c r e a s ei nt h ew a l lt h i c k n e s so ft h ec a t a l y s t , t h ea c t u a lu t i l i z a t i o nr a t eo ft h e c a t a l y s tw a l ld e c r e a s e dg r a d u a l l y i na d d i t i o n ，t h e w a l lt h i c k n e s so ft h el o w t e m p e r a t u r es c rc a t a l y s ts h o u l db el e s st h a nt h ec o m m e r c i a l 场0 5 一w o f f t i 0 2 c a t a l y s t s i tw a sf o u n dt h a tt h ew a l lt h i c k n e s sw h i c h w a sl e s st h a nlm m c o u l dm e e t t h ed e - n o xr e q u i r e m e n t s ，w h i c hc o u l db ea l li m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fl o w t e m p e r a t u r es c rc a t a l y s ti n t h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ；f l u eg a sd e n i t r a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；s c r c a t a l y s t ；c h a n n e l ， l v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章引言1 第一节概述1 1 1 1 氮氧化物的性质、危害与来源1 1 1 2 燃煤n q 的控制政策及排放标准2 1 1 3 燃煤n q 的主要控制技术2 第二节燃煤烟气s c r 脱硝技术及工程应用7 1 2 1s c r 装置的系统组成与总体布置7 1 2 2s c r 系统工程应用现状8 第三节s c r 催化剂研究现状1 l 1 3 1 商业s c r 催化剂的类型1 1 1 3 2 中温s c r 催化剂1 2 1 3 3 低温s c r 催化剂1 3 第四节烟气脱硝的数值模拟研究进展1 4 1 4 1 非均相动力学模型1 5 1 4 2 均相反应速率模型1 6 1 4 3 催化剂单孔道反应数值模拟1 6 1 4 4s c r 系统流场的数值模拟：1 8 第五节课题的研究内容及意义2 2 1 5 1 课题的研究目的与意义2 2 1 5 2 课题的主要研究内容2 2 第二章s c r 催化剂数学模型的建立2 4 v 目录 第一节s c r 反应动力学模型2 4 2 1 1 中温s c r 催化剂的动力学模型2 4 2 1 2 低温s c r 催化剂的动力学模型2 5 第二节模型的基本简化与假设2 6 第三节催化剂孔道的数学模型2 7 2 3 1 中温s c r 催化剂的数学模型2 7 2 3 2 低温s c r 催化剂的数学模型2 8 第四节催化剂数学模型的求解2 9 2 4 1 中温s c r 催化剂的数学模型求解2 9 2 4 2 低温s c r 催化剂的数学模型求解3 0 第三章中温s c r 催化剂的模拟研究3 2 第一节中温s c r 反应模型的验证3 2 第二节孔道内反应物的浓度和温度分布3 2 第三节运行参数对n o 转化率的影响3 4 3 3 1 反应温度对n o 转化率的影响3 4 3 3 2 不同氨氮比下的n o 转化率和氨逃逸率3 4 3 3 3n o 入口浓度对n o 转化率的影响3 6 3 3 4 空速变化对n o 转化率的影响3 6 第四节催化剂结构参数对n o 转化率的影响3 7 3 4 1 催化剂孔节距大小对n o 转化率的影响3 7 3 4 2 不同结构形式催化剂对n o 转化率的影响3 8 第四章低温s g r 催化剂的模拟研究4 0 第一节低温s c r 反应模型的验证4 0 第二节运行参数对n o 转化率的影响4 l 4 2 1 氨氮比变化对n o 转化率的影响4 l 4 2 2 空速变化对n o 转化率的影响4 2 4 2 30 2 浓度变化对n o 转化率的影响4 2 目录 4 2 4n o 入口浓度对n o 转化率的影响4 4 4 2 5 催化剂形状对n o 转化率的影响4 4 第三节孔道与壁面的浓度分布4 5 4 3 1 催化剂孔道中的反应物浓度分布4 5 4 3 2 催化剂壁面的反应物浓度分布4 6 第五章结论与建议4 9 第一节主要结论4 9 第二节主要创新点5 0 第三节进一步工作建议5 0 参考文献5 2 致j 谢：5 7 个人简历5 8 v i l 第一章引言 第一章引言 第一节概述 1 1 1 氮氧化物的性质、危害与来源 我们通常所说的氮氧化物( n o x ) 主要是指氮和氧相结合形成的各种形式的 化合物，包括有：一氧化二氮( n 2 0 ) 、一氧化氮( n o ) 、三氧化二氮( n 2 0 3 ) 、 二氧化氮( n 0 2 ) 、四氧化二氮( n 2 0 4 ) 和五氧化二氮( n 2 0 2 ) 掣。而造成大 气污染的n q 主要是指n o 和n 0 2 ，其中n 0 2 的毒性比n o 高4 5 倍【2 1 。n o x 引起的环境污染和对人体健康的危害主要有以下几个方面：( 1 ) n 仇对人体有致 毒作用，其中n 0 2 对呼吸系统有强烈的刺激作用，能引起支气管炎、肺气肿、 急性哮喘病等，n o 能与血红蛋白作用，降低血液的输氧功能，高浓度的n o 可 使血液中的氧和血红蛋白变为高铁血红蛋白，出现高铁血红蛋白症和中枢神经 损害症状，浓度过高将直接导致死亡；( 2 ) n o x 对植物也有损害作用，主要损害 植物的叶面；( 3 ) n o x 是形成酸雨的主要污染物之一，是一种温室气体；( 4 ) n q 会与碳氢化合物反应形成光化学烟雾，严重危害人类环境；( 5 ) n q 还会参 与臭氧层的破坏p j 。 空气中的氮氧化物的来源主要有两个方面：一方面是天然排放的n q ，主要 来自土壤和海洋中的有机物质分解，这属于自然界氮循环过程，每年的产生量 约为5 1 0 8 吨；另一方面是人为活动产生的n q ，每年全球产生量在5 1 07 吨 以上，这部分n q 虽然不及自然界生成量，但多集中在城市、工业区等人口密 集地区，所以对人类的危害较大【4 】。人为排放的n q 中9 0 以上来源于煤、石 油、天然气等化石燃料的燃烧过程，其中n o 占9 0 以上，其余主要是n 0 2 。 据数据统计，我国大气污染物中n q 的6 0 来自于煤的燃烧，其中，火电厂发 电用煤占全国燃煤总量的7 0 。2 0 0 4 年全国n q 的排放总量达到1 6 0 0 万吨左右， 若不进行有效的控制，到2 0 2 0 年将达到2 3 6 3 2 9 1 4 万吨，超过美国成为世晃第 一大n q 排放国。面对日益严峻的环境要求，燃煤n q 的排放控制将成为我国 未来环保工作的重点之一。 第一章引言 1 1 2 燃煤n o x 的控制政策及排放标准 从2 0 世纪7 0 年代起，欧、日等发达国家已开始重视n q 的排放控制，相 继对燃煤电站锅炉n q 的排放做出了限制，并随着技术与经济的发展而日趋严 格。与发达国家相比，我国在n q 的排放控制方面起步较晚。在1 9 9 6 年发布的 火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 ) 中，仅对_ 1 0 0 0 t h 的锅炉提出 了n q 的控制要求，排放浓度限值为6 5 0 m g m 3 。 2 0 0 0 年新修订的中华人民共和国大气污染防治法中，明确规定“企业 应当对燃料燃烧过程中产生的氮氧化物采取控制措施 。从2 0 0 4 年3 月7 日起， 我国开始实施最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 ) 【5 】，通过 排放量和排放浓度双重控制n q 排放，其中时段燃煤n q 为4 5 0 m g m 3 。而最 新的火电厂大气污染物排放标准目前正在讨论中，尚未正式颁布，其中对于重 点地区新建、改建和扩建的燃煤电厂，将执行2 0 0 m g m 3 的排放浓度限值，该限 值与欧盟2 0 0 1 8 0 e c 指令中规定的新建大型燃烧装置排放限值相同。 1 1 3 燃煤n q 的主要控制技术 根据n q 的形成过程，对燃煤n q 的主要控制措施分为三类：即燃烧前、 燃烧中和燃烧后脱硝技术【6 1 。燃烧前脱氮技术的基本思路是从源头上减少n q ， 主要是对燃料进行脱氮处理，将燃料转化为低氮燃料，但目前这方面的技术很 不成熟，成本昂贵，所以工程应用很少。燃烧中脱硝主要是通过燃烧技术的改 进来降低n q 的排放量，主要包括低过量空气燃烧、空气分级燃烧、燃料分级 燃烧烟气再循环及低n q 燃烧器等技术。该技术的主要特点是成本较低，只有 初期投资而没有运行费用，但脱硝率不高。燃烧后脱硝主要是指烟气脱硝技术， 即在燃煤锅炉尾部加装烟气脱硝装置，使烟气中的n q 经过处理转化为无害物 质从而达到脱除的目的，主要包括吸收法、吸附法、选择性非催化还原法( s n c r ) 和选择性催化还原法( s c r ) 等。以下将对目前工程应用中主要的n q 控制技 术进行简单介绍。 1 1 3 1 低n o x 燃烧技术 低n q 燃烧技术是目前燃煤电站普遍采用的脱硝技术，采用这种技术主要 是通过控制燃烧火焰温度峰值、限制在火焰峰和反应区内的氧气含量和停留时 2 第一章引言 间等关键参数，从而使n o x 的生成量显著降低。2 0 1 0 年初，我国环保部发布的 火电厂氮氧化物防治技术政策中明确指出，低n q 燃烧技术应作为燃煤电 厂氮氧化物控制的首选技术，对新建、改建、扩建的燃煤电厂，应选用装配有 高效低n q 燃烧技术和装置的发电锅炉，对在役燃煤机组氮氧化物排放浓度不 达标或不满足总量控制要求的电厂，应进行低n o x 燃烧技术改造。在采用低n 仉 燃烧技术时，要针对主要影响因素和具体情况( 如燃料含氧量等) ，选用合适的 方法。同时还要兼顾燃烧是否完全、烟气量和热损失等其他方面。表1 1 介绍了 主要的低n q 燃烧技术概况1 7 1 。 表1 1 主要的低n q 燃烧技术概况 燃烧方法技术要点存在问题 燃烧器的空气为燃烧所需空气的 二段空气量过大，会使 二段燃烧法 8 5 ，其余空气通过布置在燃烧器上部 不完全燃烧损失增大，一般 ( 空气分级燃烧)的喷口送入炉内，是燃烧分阶段完成， 二段空气比为1 5 2 0 ， 煤粉炉由于还原气氛易结 从而降低n q 的生成量 渣，或引起腐蚀 将8 0 8 5 的燃料送入主燃区， 再燃烧 在a l 条件下燃烧；其余1 5 2 0 在 为减少不完全燃烧损 主燃烧器上部再送入再燃区，在q 厶缗瓦 蓦 n q f 卧 摧 磊2 纯 垄厶俪石y 剂 n q 爿：妻f 凯 萎 厶剥 蓦 萎 图1 1 选择性催化还原( s c r ) 反应的基本原理图 s c r 技术脱硝效率高，理论上可接近1 0 0 的脱硝率。在商业燃煤、燃气和 燃油锅炉烟气s c r 脱硝系统中，设计脱硝率可大于9 0 。由于维持这种高效率 费用高，实际s c r 系统的操作效率在7 0 9 0 之间。由于技术的成熟和较高 的脱硝效率，s c r 技术已成为国际上燃煤电站烟气脱硝的主流技术。随着我国 对环保要求的日益提高，s c r 技术在国内已逐步开始推广应用，目前已建或在 建的s c r 脱硝装置至今已有1 0 套以上。在2 0 1 1 年3 月刚发布的中华人民共 和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要中，第一次明确规定“氨氮、 氮氧化物排放分别减少1 0 ”，由此可见烟气脱硝将成为即烟气脱硫之后国家控 制火电厂污染物排放的又一个重点领域。而s c r 技术作为公认的烟气脱硝成熟 技术，今后必将在我国得到更广泛的应用与发展。 1 1 3 4 其他烟气脱硝技术 液体吸收n q 的方法较多，应用也较为广泛。n q 可以用水、碱溶液、浓 硫酸、稀硝酸吸收，这种方法统称为湿法脱硝技术。但是n o 极难溶于水或碱溶 液，因而湿法脱硝效率一般不是很高。可采用氧化、还原或络合吸收的方法来 提高n o 的净化效果。与干法相比，湿法的主要优点是工艺及设备简单、投资少 等，有些方法还能回收利用n q ，兼具一定的经济效益，但最大的缺点就在于脱 5 第一章引言 硝效率不高。 用分子筛、活性炭、活性焦、天然沸石、硅胶及泥煤等吸附剂可以吸附脱 除n q ，其中有些吸附剂如硅胶、分子筛、活性炭及活性焦等，还有催化的性能， 能将废气中的n o 催化氧化为n 0 2 。脱附出来的n 0 2 可用水或碱吸收后进行回 收利用。吸附法脱硝效率高，且能回收n q ，但因吸附容量小、吸附剂用量多、 设备庞大、再生频繁等原因，未能得到广泛应用【8 】。 电子束照射法和脉冲电晕等离子体法是利用高能射线( 电子束或y 射线) 中的高能电子撞击烟气中的h 2 0 、0 2 等分子，产生o 、o h 、0 3 等极为活泼的自 由基，具有很强的氧化性，可使烟气中的s 0 2 和n q 很快氧化，并进而与h 2 0 结合产生h 2 s 0 4 和h n 0 3 ，并与喷入的n h 3 反应生成( n i - h h s 0 4 和n h 4 n 0 3 化肥。 采用该技术可以达到同时脱硫脱硝的效果，副产品还可作为化肥回收利用，具 有系统操作简单、过程易于控制、运行可靠等优点，但电子束法中所用的电子 枪及大功率脉冲电源等价格昂贵，设备结构复杂，功率大使得电费支出相对高 1 0 2 0 ，而且还存在高能射线的屏蔽与防护问题，这些因素在一定程度上限 制了该方法的应用与推广。 微生物法是新近提出的脱硝方法，目前正处于研究阶段，该方法的基本原 理是利用反硝化细菌的活动来脱除废气中的n q 。在反硝化的过程中，n q 经过 反硝化细菌的同化反硝化作用还原为有机氮化物，成为菌体的一部分；或通过 异化反硝化作用转化为n 2 。微生物法工艺设备简单，处理费用低，且二次污染 少，具有很大的发展潜力，但目前仍处于实验室研究阶段，实现工程应用还需 要一段时间，主要的限制因素有以下几个方面：( 1 ) 微生物的生长速度较慢， 难以处理流量大、流速高的烟气；( 2 ) 对低碳源的烟气需要外加碳源，导致工 艺复杂化；( 3 ) 烟道的温度一般较高且烟气成分复杂多样，如何营造微生物生 长所需的适宜环境，是微生物法工业化所需克服的最大难题；( 4 ) 微生物的实 际吸附能力差，导致n o 的净化效率低；( 5 ) 微生物的生长会造成反应塔内填料 的堵塞【9 】。 6 第一章引言 第二节燃煤烟气s c r 脱硝技术及工程应用 1 2 1s c r 装置的系统组成与总体布置 s c r 系统一般由氨存储系统、氨与烟气混合系统、喷氨系统、反应器系统、 s c r 旁路、省煤器旁路、检测控制系统等组成，如图1 2 所示。 图1 2s c r 装置的系统组成 在典型的s c r 系统中，氨气由氨罐输送到喷氨格栅并喷入烟道中，与省煤 器出口的烟气在静态混合器中进行充分混合，然后进入s c r 反应器。s c r 反应 器一般安装于省煤器与空气预热器之间，其操作温度在3 0 0 - 4 0 0 范围内，氨与 烟气在s c r 反应器内经催化剂作用充分反应后生成n 2 和h 2 0 ，随烟气排出进入 空气预热器，随后经除尘器除尘后从系统中排出。在整个系统中，均有检测控 制系统，在s c r 进口处设置n q 、0 2 浓度监测分析仪，在s c r 出口处设n h 3 浓度监测分析仪，当n h 3 的逃逸率超过规定值时，系统会报警并自动调节喷氨 量。另外，还有温度监测系统监视系统的温度变化，当烟气温度超出反应器设 定的温度窗口时，温度信号将自动关闭氨注入系统和喷氨系统。 s c r 反应器系统可以安装在锅炉后的不同位置，根据其相对位置的不同一 般有三种布置方式：即高灰段布置、低灰段布置和尾部烟气段布置。 高灰段布置是指s c r 反应器布置在省煤器与空气预热器之间，图1 2 中的 s c r 系统就是采用的这种布置方式。这里的温度一般在3 0 0 - 4 0 0 范围内，正好 适合商业催化剂的运行温度，但此时烟气中所含的飞灰和s 0 2 均要通过催化剂 反应器，因此反应器是在“不干净”的高尘烟气中进行工作，会一定程度地影响 7 第一章引言 s c r 催化剂的使用寿命，主要影响包括有t 飞灰对s c r 反应器的磨损：飞灰对 s c r 催化剂蜂窝状孔道的堵塞；飞灰中所含的n a 、s i 、c a 、a s 等成分造成催化 剂“中毒”而失活；高活性的催化剂促使烟气中的s 0 2 氧化为s 0 3 等。尽管存在以 上缺点，但与其他方式比较及考虑经济因素，高灰段布置仍是目前最为经济有 效的s c r 系统布置方式，现在世界上运行的s c r 系统中高灰段布置占有相当大 的比例。 低灰段布置是指s c r 反应器布置在除尘器和空气预热器之间，这时，温度 为3 0 0 - - 4 0 0 的烟气先经过除尘器以后再进入催化剂反应器，这样可防止烟气中 的飞灰对s c r 催化剂的污染和对反应器的磨损或堵塞，但烟气中的s o s 始终存 在，因此烟气中的s 0 3 和n h 3 反应生成( n i - 1 4 ) 2 s 0 4 而发生堵塞的可能性仍然存在。 采用这一方式的最大问题在于，除尘器( 如静电除尘器) 要在3 0 0 , - 4 0 0 的温度 下正常运行，因此很少采用。 尾部烟气段布置是指反应器布置在烟气脱硫装置( f g d ) 之后，这样s c r 催化剂将完全在无尘、无s 0 2 的环境中工作，由于不存在催化剂的污染和中毒 问题，也不存在飞灰对反应器的堵塞及腐蚀问题，因此可以采用高活性的催化 剂，减少了反应器体积并使反应器布置紧凑。据估计，当催化剂在“干净”烟气中 工作时，其使用寿命可达到高灰段催化剂使用寿命的两倍。但是，这一布置方 式的主要问题是，将反应器布置在湿式f g d 脱硫装置后，其烟气温度仅为 在 业 在 研 展 后 世 置 市场将在美国与亚洲，其中我国市场潜力巨大，不同时期各地区s c r 装机容量 的对比数据【6 】如图1 3 所示。 ? 。r 7 一一j 。1 7 _ ”。一_ 7 吓? _ 1 _ 耳1 要鼍：1 5 彳鼍一1 啊诵 、； ，、二_ 励：。一，1 浏 ：! ： ，。 翟 l r 己： 嘻 斓 ：震 ，： 一。 2 遁 二_ 二耙 ! ，一：翻 。一i 露习 毒7 翻 餐l ：；i i i 誊i ! i i i i ! a 卜 1 9 9 0 年2 0 0 5 年2 0 1 0 年 图1 3 不同时期各地区燃煤电厂s c r 装机容量 我国是世界产煤和燃煤大国，燃煤电厂的n q 排放不容小视。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。随着我 国n q 的排放标准不断严格，仅仅依靠燃烧控制已不能满足要求，因此选用s c r 烟气脱硝装置已经成为火电厂烟气脱硝技术的发展趋势。在2 0 世纪9 0 年代建成 的福建漳州后石电厂6 0 0 m w 火电机组上，率先建成了s c r 烟气脱硝装置，该装 置投产后运行效果好，n q 的排放浓度只有8 5 m g m 3 ，但同时也存在建设投资巨 大、运行费用高等问题。 从2 0 0 3 年颁布火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 以来，许 多火电厂相继开始重视n q 的排放控制。此后，商业化烟气脱硝装置也已在3 0 万k w 、6 0 万k w 装机容量的多台机组上投入运行，为火电厂降低n q 的排放 控制积累了经验。据不完全统计，到目前为止约有9 0 多家电厂的近2 0 0 台总装 机容量为1 0 5 亿k w 的机组已通过环评，其中已建、在建或拟建的火电厂烟气脱 硝项目达到5 7 4 5 万k w 装机容量，主要分布在北京、上海、浙江、江苏、广东、 湖南、山西等地区( 如表1 2 所示) 1 0 】。所采用的工艺技术主要是选择性催化还 原法( s c r ) ，约占9 6 ，非选择性还原催化法( s n c r ) 只占4 。 9 加 们 加 o _li_ 芝fo一)删砖墨群匣u 第一章引言 表1 2 已建、在建或拟建的主要火电厂烟气脱硝项目统计 ( 按2 0 0 8 年底前的数据累计) 地区项目 税硝机组容量脱硝设施供应商 北京第一热电厂一期 4 x l o o m w 浙江能源s c r 北京第一热电厂二期 2 x 2 0 0 m w 华电环保s c r 北京草桥电厂2 x 3 0 0 m w华电环保s c r 北京市 太阳宫电厂2 3 5 0 m w杭州锅炉厂s c r 北京高井发电厂4 x 1 5 0 m w清华同方s c r 石景山电厂 4 x 2 0 0 m w 清华同方s c r 外高桥第二发电厂 1 l o o o m w 重庆远达s c r 上海市 吴泾电厂2 3 0 0 m ws c r 乌沙山发电厂1 x 6 0 0 m w 清华同方s c r 国华宁海电厂 1x 6 0 0 m w + 2 x1 0 0 0 m w 日本b h k s c r 浙江省 北仓电厂 2 x l o o o m w 国电龙源s c r 乐清电厂 l x 6 0 0 m w 浙江天地环保s c r 国华太仓发电有限公司2 x 6 0 0 m w苏源环保s c r 徐州阚山发电厂2 x 6 0 0 m w 美国燃烧技术s n c r 南京热电厂 l x 2 0 0 m w s c r 江苏省 利港电厂 2 x 6 0 0 m w 美国燃烧技术s n c r 南通电厂 2 9 0 0 m ws c r 镇江电厂2 x 1 0 0 0 m ws c r 靖江电厂2 6 0 0 m ws