脱硝设计.doc

精品文档 I欢迎下载 电厂锅炉烟气脱除 NO 的选择性催化还原法 x SCR 的计算与应用 摘要 我国是世界上主要的煤炭生产和消费国 也是以煤炭为主要一次能源的国家 据统 计 原煤在我国一次能源构成中所占比例约为 70 而用于发电的煤炭约占煤炭消费量的 50 NOx 的排放是形成酸雨和破坏大气中臭氧层的重要原因之一 据估算 1990 年我国 NOx 的 排放量约为 910 万吨 2007 年我国的 NOx 排放量为 1643 4 万吨 其中近 70 来自于煤炭 的直接燃烧 而以燃煤为主的电力生产是 NOx 排放的主要来源 鉴于随着我国经济的发 展 能源消耗量将继续增加 导致 NOx 排放量也将不断增加 如不加强控制 NOx 的排放 量 将对我国大气环境造成严重的污染 所谓 NO 是对烟气中的有害氮氧化物的总称 包括 NO NO2和少量的 N2O 其中主x 要是 NO 大约占 NO的 95 以上 烟气脱硝脱硝方法主要有选择性催化还原法 SCR x 选择性非催化还原法 SNCR 低氮燃烧技术 其中最成熟 应用最广泛的选择性催化 还原法 SCR 通常用氨做为还原剂 喷入到从锅炉出来的烟气中 并加入特定的催化剂 使之在一定的环境温度下与烟气中的 NO进行反应 而不发生与氧气的反应 最后将 NOx 还原为无害的氮气和水排出 x 本文主要是对脱硝系统工艺的选择 并对脱硝的几个关键问题进行分析 脱硝系统的 研究包括 NOx 的生成机理 口前电厂的主流脱硝技术比较及 SCR 反应器的布置 对其进行 SCR 物质平衡计算等 关键问题主要是脱硝工艺的选择 脱硝催化剂的选择 脱硝还原剂的 制各方法及主要设计参数的选取 本文在充分研究脱硝工艺各环节之后 通过技术和经济 性比较 形成一整套可实施的工程方案 并应用于某发电厂 600MW 机组烟气脱硝工程中 即 达到了脱硝效率 减少了氮氧化物排放 又节约投资 并保证了机组的安全可靠运行 具有 良好的经济效益和社会效益 关键词关键词 电站锅炉 烟气 选择性催化还原 SCR NOx 精品文档 1欢迎下载 目录目录 摘要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 研究背景 1 1 2 NO的危害和现状 1x 1 3 本文研究目的 1 2 电站锅炉的尾部受热面及燃烧烟气分析 2 2 1 省煤器 2 2 2 空气预热器 2 2 3 煤燃烧的烟气成分分析 2 3 电站锅炉 NOX 的燃烧过程中的控制方法 4 3 1 NO生成机理 4x 3 1 1 热力型 NO Thermal NO 4xx 3 1 2 快速型 NO Prompt NO 4xx 3 1 3 燃料型 NO Fuel NO 4xx 3 2 降低电站锅炉控制 NO生成的途径 4x 3 3 低 NO燃烧技术 5x 3 3 1 分级送风技术 5 3 3 2 燃料分级燃烧技术 5 3 3 3 低 NO燃烧器 6x 3 3 4 复合低 NO燃烧技术 6x 4 电站锅炉针对烟气中 NO脱除技术比较 8x 4 1 国内外烟气脱硝技术方法分析比较 8 4 1 1 国外脱硝技术及其应用 8 4 1 2 选择性催化还原脱硝技术 SCR 8 4 1 3 SNCR 与 SCR 混合烟气脱硝技术 9 4 2 国内脱硝技术的现状 9 4 3 各种烟气脱硝技术设计参数比较 10 4 3 1 SCR 技术 10 4 3 2 SNCR 技术 10 精品文档 2欢迎下载 4 3 3 SNCR 与 SCR 混合型技术 10 5 电站锅炉烟气脱除 NO的选择性催化还原方法 SCR 技术综述 11x 5 1 SCR 反应脱除 NO的化学原理 11x 5 2 影响 SCR 方法脱硝的各种因素 11 5 3 SCR 系统布置方式 12 5 4 SCR 方法的催化剂研究 13 5 4 1 催化剂种类 13 5 4 2 催化剂的主要形式 13 5 5 SCR 方法在燃煤电厂的应用和发展 14 5 6 SCR 方法的技术特点和弊端 15 6 600MW 燃煤机组的 SCR 方法物质平衡计算 17 6 1 机组初始参数和 SCR 计算方法简述 17 6 2 机组实际烟气量计算 17 6 3 机组不同负荷下的 SCR 计算 18 6 3 1 机组 100 负荷下 SCR 计算 19 6 3 2 机组 80 负荷下 SCR 计算 19 6 3 3 机组 60 负荷下 SCR 计算 20 6 3 4 机组 40 负荷下 SCR 计算 20 6 3 5 机组 20 负荷下 SCR 计算 21 6 3 6 机组 10 负荷下 SCR 计算 22 6 3 7 机组 5 负荷下 SCR 计算 22 6 4 计算结果分析检验和计算结论 23 结论 24 参考文献 25 附录 A 27 附录 B 28 致谢 30 外文文献翻译原文 31 外文文献翻译译文 36 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 1 绪论 1 1 研究背景 能源和环境是人类赖以生存和发展的基本条件 是当今世界发展的两大问题 随着 世界人口的增长和生活水平的提高 能源的开采和利用程度越来越高 特别是近十多年 来 能源的消耗迅速增长 对环境的影响和压力都达到了空前的程度 在这样的形势下 我们不得不认识到通过高消耗得到的经济数量增长的 先污染后治理 的传统模式已经 不适合当今社会的发展要求 必须寻求一条可持续发展的道路 目前全球性的四大公害 大气烟尘 酸雨 温室效应 臭氧层破坏 都与能源生产 和利用不当有直接关系 所以要实现我们所追求的可持续发展 就必须使能源的生产和 利用与环境相协调 1 2 NO 的危害和现状 x NO是化石燃料燃烧后的主要有害物质之一 NO的排放量和大气 NO浓度的增加使xxx 得我国大气污染的性质发生了根本性的变化 大气氧化性增加 导致一系列的城市和区 域环境问题 对人体健康和生态环境构成巨大威胁 其中 NO 的毒性最高 可引起肺部损 2 害 当其在大气中的浓度超过 150ppm 时可以致死 而且 NO 和 N O 分别对人体血红蛋白 2 和温室效应造成严重影响 而且 NO又是与 SO 一起造成酸雨的重要因素 我国 NO排x 2 x 放量目前已经接近 1600 万吨 其中 67 来源与煤的燃烧 鉴于我国经济将不断发展的情 况下 NO也将增加 从而面临光化学烟雾的危险 x 目前 中国的发电能源结构以煤炭为主 大气环境主要是典型的煤烟污染 NO的排x 放浓度明显高于国外水平 而我国的发电机组迅速增加 最新的环境保护法规对燃煤电 站 NO排放的要求为 400mg m 为了进一步适应低 NO排放要求 而我国目前在该领域x 3 x 的研究却是少之又少 所以 进行燃煤锅炉烟气脱硝技术发展已是当前的重要课题 1 3 本文研究目的 随着脱硝问题的日益严重和各种脱硝方法的发展 SCR 方法也将日益成熟 目前关于 SCR 方法的反应原理 反应条件 催化剂等的研究都已经趋于成熟了 而目前对于 SCR 方 法的计算问题却一直没有一个标准 所以 选择一个合理正确的方法将 SCR 的物质平衡 计算 成本计算等都形成一个完善的体系 对我们更加广泛的应用 SCR 技术是十分有意 义的 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 2 电站锅炉的尾部受热面及燃烧烟气分析 2 1 省煤器 省煤器布置在烟气温度比较低的锅炉尾部 其主要作用是 吸收尾部烟道中的低温 烟气的热量 降低锅炉的排烟温度 提高锅炉热效率 节省燃料 而且提高进入锅筒的 水温 降低锅筒热应力 提高其寿命 大容量 高参数锅炉均采用钢管式省煤器 由许 多并列的蛇形无缝钢管 外径 28 51mm 和进出口联箱组成 管子水平放置 水由下而 上流动 便于排除水中气体 防止局部金属腐蚀 外部烟气自上而下流动 增加传热效 果 现代大型锅炉通常采用悬吊式省煤器 可采用水流方向与前墙垂直或水平布置 不 同方式会影响其水流速度和外部磨损 但为了防止水面附近的交变应力产生 减少金属 疲劳损害 通常蛇形管的水流速度不低于 1 m s 2 2 空气预热器 空气预热器是利用烟气余热来加热燃烧所需要的空气的热交换设备 它利用了烟气 余热 使排烟温度降低 提高锅炉的效率 并且强化了着火和燃烧 空气预热器按照其换热方式分为传热式和蓄热式 其中传热式是指空气和烟气各自 有自己的通道 热量连续的通过传热面由烟气传给空气 而蓄热式是烟气和空气交替通 过受热面 烟气通过时金属被加热而蓄积热量 等空气流过时就释放热量并加热空气 大型电站锅炉通常采用蓄热式回转式空气预热器 其具有结构紧凑 节省钢材 耐 腐蚀 少漏风等优点 省煤器和空气预热器最多的问题是磨损 积灰和低温腐蚀 所以通常会采用低氧燃 烧 降低烟气露点 烟气脱硫等各种手段来减少这些设备的损害 2 3 煤燃烧的烟气成分分析 首先 如果实际参加燃烧的湿空气中的干空气量等于理论空气量 且使 1 千克燃料 完全燃烧产生的烟气量称理论烟气量 从其定义可以看出 形成理论烟气量的基本物质 有 燃料 理论空气量 随理论空气量进入炉膛的水分 分析基本物质燃烧过程的变化 可以得到理论烟气量的组成成分 CO SO N H O 但是如果实际参加燃烧的湿空 2222 气中的干空气量大于理论空气量 且使 1kg 燃料完全燃烧产生的烟气量称为完全燃烧的 实际烟气量 上边讨论的是燃料完全燃烧的情况 但如果燃料不完全燃烧时 烟气的成分中还多 了 CO H 等 但一般工程计算中只考虑不完全燃烧产物为 CO 在锅炉运行中 烟气的成 2 分和含量直接反映出炉膛内的燃烧工况 因而 测定烟气中的成分和含量 对于判断炉 膛内燃烧工况 进行燃烧调整 以及改进燃烧设备都是十分必要的 如果知道了烟气的 成分和含量不但可以了解燃烧的完全程度 燃烧条件 也可以了解烟道的漏风情况等 烟气分析的方法很多 有化学吸收法 电气测量法 红外吸收法及色谱分析法等 接反 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 映出炉膛内的燃烧工况 因而 测定烟气中的成分和含量 对于判断炉膛内燃烧工况 进行燃烧调整 以及改进燃烧设备都是十分必要的 如果知道了烟气的成分和含量不但 可以了解燃烧的完全程度 燃烧条件 也可以了解烟道的漏风情况等 烟气分析的方法 很多 有化学吸收法 电气测量法 红外吸收法及色谱分析法等 3 电站锅炉 NOx 的燃烧过程中的控制方法 3 1 NO 生成机理x 煤燃烧过程中生成的氮氧化物主要是 NO 和 NO 另外还有少量的 N O 氧化亚氮 22 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 统称为 NO 其中 NO 占 NO的 90 以上 NO 占 5 10 N O 仅为 1 左右 NOxx 22 的形成机理主要有 3 种 x 3 1 1 热力型 NO Thermal NO xx 热力型 NO的形成机理是由前苏联科学家捷里多维奇 Zelidovich 提出的 系高温x 下空气中的氮气与氧气反应而成 该反应一般在 1500 以上进行 主要是在燃烧的燃烬 阶段形成 对燃煤锅炉 燃烧温度为 1350 时 炉内生成的 NO几乎 100 为燃料型 x 当温度为 1600 时 热力型 NO可占生成总量的 25 30 其中生成量与温度 在高x 温区停留时间以及氧的分压有关 3 1 2 快速型 NO Prompt NO xx 快速型 NO是 1971 年弗尼莫尔 Fenimore 通过实验发现的 碳氢化合物燃料燃烧过x 浓时 在反应区附近会快速生成 NO 由于燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的 CHx 自由基可以和空气中氮气反应生成 HCN 和 N 再进一步与氧气作用以 极快的速度生成 其形成时间只需要 60ms 所生成量与炉膛压力 0 5 次方成正比 与温度的关系不大 对煤粉燃烧 快速型 NO占总生成量的 5 以下 x 3 1 3 燃料型 NO Fuel NO xx 燃料型 NO由煤中氮化合物在燃烧中氧化而成 含有氮的有机化合物热裂解产生x N CN HCN 和 NH 等中间产物 然后再氧化成 NO 由于煤的燃烧过程由挥发份燃烧和x 焦炭燃烧两个阶段组成 故燃料型 NO的形成也由气相氮的氧化 挥发份 和焦炭中剩余x 氮的氧化 焦炭 两部分组成 由于煤中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度 在 600 800 时就会生成燃料型 NO 其生成量与温度关系不大 主要取决于空气与煤x 粉的混合比 也与氧浓度密切相关 它在煤粉燃烧 NO生成总量中占 60 80 以上 x 是 NO的主要来源 x 3 2 降低电站锅炉控制 NO 生成的途径x 电站锅炉 NO排放控制技术可分为一次燃烧控制措施 如低 NO燃烧器 OFA 燃料xx 再燃烧等 及二次烟气净化措施 SCR SNCR 及组合型 SCR SNCR 降低 NO排放的首选x 燃烧控制 当采用燃烧控制措施还不能满足排放标准时 就需要安装烟气脱硝装置 近 年来关注的焦点集中在一次燃烧控制措施的研究与开发 一次燃烧控制措施主要包括燃 烧优化 炉内空气分级 燃烧器上部燃尽风 OFA 或二级燃烧 燃料分级 部分燃烧器停运 燃料浓淡分离 燃料再燃烧或三级燃烧 烟气再循环以及低 NO燃烧器 采用一次燃烧x 措施控制 NO的排放有效可行 根据燃煤锅炉 NO生成机理 采用分级燃烧是降低 NOxx 的最有效方法 其配风的基本原则应当是在各燃烧区保证热力型 瞬间型和燃料型 NOx 都处于较低的生成水平 低 NO燃烧组织原则既可以通过调整炉膛结构 也可以通过燃xx 烧器结构设计及布置方式来实现 实际上 采用低 NO燃烧技术 应用低 NO燃烧器是xx 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 降低 NO排放最经济的方法 在低 NO燃烧技术中 还有再燃技术 燃料分级技术 烟xx 气再循环技术以及采用天然气再燃技术降低 NO排放技术 美国 Energy and x Envieronmental Research Corporation 在 158MW 机组锅炉上 采用天然气再燃技术和 低 NO燃烧器进行改造 达到了减少 66 NO排放的效果 此外 还可以采用洁净煤燃xx 烧技术 大力发展循环硫化床锅炉及增压硫化床锅炉配燃气轮机的燃气 蒸汽联合循环 机组 以达到环保要求 3 3 低 NO 燃烧技术x 低NO燃烧技术就是指在燃烧的过程中通过对风量 燃料量 燃烧方式等采取采取x 一定的措施而使得燃烧时产生的 NO尽量减少的技术 主要措施我们下边分别讲述 x 3 3 1 分级送风技术 炉内空气分级技术通常称之为两级燃烧 主要是通过减少主燃烧区空气量 同时为 了保证适当的总过剩空气量而将一部分空气在主燃烧区上部送入炉内以完成燃尽过程 OFA 炉内空气分级需要将燃烧空气分成一级风与二级风两部分 一级风 约占总风量 的 70 90 与燃料混合反应后会形成燃烧温度较低 氧量不足 燃料富集的燃烧区域 从而抑制了 NO的生成 二级风 约占总风量的 10 30 则通过独立布置在燃烧器上部x 的燃尽风喷嘴送入炉内从而实现分级燃烧 在这一区域完成燃尽过程并使火焰体积增大 从而在温度相对较低的燃尽区进一步抑制了 NO的生成 OFA 喷嘴的相对位置及其燃尽风x 在炉内与烟气混合的充分性是获得高效低 NO燃烧的关键 x 3 3 2 燃料分级燃烧技术 燃料分级燃烧通常采用的形式是燃料再燃烧技术 因其燃烧过程分成主燃烧区 二 次 再燃烧区及燃尽区三个区域 所以也称为三级燃烧技术 其目的是把主燃烧区域中生 成的 NO在次燃烧区还原成为分子氮气 N 以降低 NO排放 在主燃烧区 煤粉通常在x 2 x 低过剩空气量条件下 氧化性气氛或弱还原性气氛下 通过常规或低 NO燃烧器燃烧生成x NO 在再燃烧区喷入再燃烧燃料 在还原性气氛下分解生成碳氢基元 并与主燃烧区中x 已生成的 NO反应后将其还原成为 N 同时也会形成一些不希望产生的挥发分氮化合物x 2 如氨 在第三个区域即燃尽区 加入最后一部分空气 以进一步燃尽来自再燃烧区烟气 中的未燃尽燃料 主要为一氧化碳及未燃尽的碳氢化合物 从而完成整个燃尽过程 目 前 尽管煤与石油作为再燃烧燃料正在示范中 但天然气还是应用最为广泛的再燃烧燃 料 主要原因是天然气在再燃烧区能与烟气充分混合 利用这一原理 将 80 85 的燃 料送入第一级燃烧区 在 A 大于 1 的条件下燃烧并生成 NO 送入一级燃烧区的燃料称x 为一次燃料 其余 15 20 的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区 在 A 小于 1 的 条件下形成很强的还原性气氛 使一级燃烧区中生成的 NO在二级燃烧区内被还原成氮x 分子 N 二级燃烧区又称再燃区 送入的燃料又称二次燃料 或称再燃燃料 在再燃 2 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 区中不仅使已生成的 NO还原 同时还抑制了新 NO的生成 可使 NO的排放浓度进一xxx 步降低 3 3 3 低低 NONO 燃烧器燃烧器x 低 NO燃烧器总的设计原则是 使在燃烧器内部或出口射流的空气分级 设计特点x 是控制每只燃烧器中燃料与空气的混合过程 使燃烧推迟 延长火焰行程 降低火焰温 度峰值 从而减少 NO生成量 主要措施是降低对 NO生成具有关键作用的主燃烧区域xx 的氧量水平 同时减少燃烧峰值温度区域中的燃料 通过分级送入燃烧空气 煤粉则在 缺氧条件下热解 促使燃烧氮 N 向分子氮的转化 在常规低 NO燃烧器中 燃烧 NO 2 x 分解还原及燃尽是在三个阶段中完成的 在燃烧初始阶段 燃烧是在燃料富集 氧气不x 足的区域中进行的 在这一区域中生成了 NO 紧接着在一个还原性区域产生碳氢基元x 以分解第一区域已经生成的 NO 在第三个区域中 送入燃烧器内部分级空气以完成燃x 尽过程 但同时也会产生一些 NO 这可通过在空气量不足的缺氧气氛中完成燃尽过程 x 降低 NO的生成 低 NO燃烧器可与其它一次措施如 OFA 再燃烧或烟气再循环技术相结xx 合 国外电厂实际运行经验表明 排放降低 74 浓淡型双调风旋流燃烧器将分级送风技 术与浓淡燃烧技术应用在旋流煤粉燃烧器上 外边的一股风称为三次风 另一股称为二 次风 两股风通过轴向可动叶轮旋流器形成旋流风 旋流强度可通过相应叶轮的拉进拉 出来改变 通过改变二 三次风的旋流强度能有效地改变燃烧器出口处回流区的大小 位置以及各股风之间的混合 使该燃烧器有较强的煤种适应性以及低负荷稳燃能力 在 燃烧器送风方面 采用均压风箱送风 各股气流沿纵截面流动均匀 火焰均匀传播 在 燃烧器内的一次风管中装有旋转叶片 一次风通过旋转叶片后产生旋转 同时一次风管 内还装有煤粉分配器 它使风粉分布趋于均匀 旋转的一次风进入沿周向布置的 4 个通 道 利用煤粉自身的惯性 使煤粉在 4 个煤粉收集器附近密集 从而在圆周方向上形成 4 股浓 淡煤粉气流 组织沿圆周方向的浓淡燃烧 可以显著降低 NO的生成 同时合理x 组织流动 不会因为采用浓淡燃烧而影响燃烬率 一次风喷口装有稳燃环 稳燃环对煤 粉的分布作了合理的调整 可以起到强化煤粉气流的着火 低负荷稳燃以及降低 NO生x 成的作用 3 3 4 复合低复合低 NONO 燃烧技术燃烧技术x 当前 国际上对低 NO燃烧技术的研究 主要集中在分级送风技术 再燃技术 包括x 采用天然气再燃技术 以及采用分级燃烧技术设计低 NO燃烧器等方面 所谓复合低 NOx 燃烧技术 就是把分级送风技术 燃料分级再燃技术以及低 NO燃烧器等结合起来 进xx 行锅炉低 NO燃烧整体优化设计 达到对锅炉综合治理的目的 NO再燃烧技术与 NOxx 空气分级燃烧器技术相结合 可达到深度脱除 NO NO再燃烧技术的技术路线是抽取xxx 炉膛部分高温烟气和少量蒸汽注入外置气化装置内 构造再燃烧煤粉气化条件 将再燃 烧煤粉蒸汽气化的还原性产物 CO H 和 CH 注入锅炉炉膛再燃区 锅炉主燃烧区产 24 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 生的 NO进入再燃区 缺氧还原性气氛 后 与煤气蒸汽气化的还原性产物反应被还原为 Nx 未完全燃尽的产物随后进入燃尽区 和燃尽风相遇 在规定的过剩空气条件下继续燃 2 尽 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 4 电站锅炉针对烟气中 NO 脱除技术比较x 4 1 国内外烟气脱硝技术方法分析比较 4 1 1 国外脱硝技术及其应用 西方发达国家在 20 世纪 60 年代末就对 NO的污染给予了充分的重视 开展燃煤电x 站 NO控制技术的研究 逐渐制定出严格的排放标准 各种 NO控制技术应运而生 环xx 境保护推动了各种 NO控制技术的研究开发和应用 反过来各种控制排放技术的成功应x 用也为严格排放标准的出台与实施奠定了技术基础 目前在西方发达国家的燃煤发电机组上普遍采用了低NO燃烧技术 烟气脱硝技术x 也已趋于成熟并逐渐得到应用 烟气脱硝装置分别为选择性催化还原 SCR 脱硝 选择 性非催化还原 SNCR 脱硝和同步脱硫脱硝等类型 下边是对SNCR技术的介绍分析 该 技术是用NH 尿素等还原剂喷入炉内与NO进行选择性反应 不用催化剂 因此必须在 3 x 高温区加入还原剂 还原剂喷入炉膛温度为900 1100 的区域 该还原剂 尿素 迅速热 分解成NH 并与烟气中的NO进行SNCR反应生成N 该方法是以炉膛为反应器 研究发现 3 x 2 在炉膛900 1100 这一狭窄的温度范围内 在无催化剂作用下 NH 或尿素等氨基还原 3 剂可选择性地还原烟气中的NO 基本上不与烟气中的O 作用 据此发展了SNCR法 x 2 不同还原剂有不同的反应温度范围 此温度范围称为温度窗 NH 的反应最佳温度区 3 为900 1100 当反应温度过高时 由于氨的分解会使NO还原率降低 另一方面 反x 应温度过低时 氨的逃逸增加 也会使NO还原率降低 NH 是高挥发性的有毒物质 氨x 3 的逃逸会造成新的环境污染 引起SNCR系统氨逃逸的原因有2种 一是由于喷入点烟气温 度低影响了氨与NO的反应 另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀 还原x 剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内最有效的部位 因为NO的分布在炉膛对流断面上x 是经常变化的 如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨分布不均匀 则会出现 分布较高的氨逃逸量 SNCR技术的工业应用是20世纪70 年代中期在日本的一些燃油 燃 气电厂开始的 欧盟国家于20世纪80 年代末在一些燃煤电厂也开始SNCR 技术的工业应 用 美国的SNCR 技术在燃煤电厂的工业应用是在20世纪90年代初开始的 目前世界上 燃煤电厂SNCR工艺的总装机容量在5GW以上 SNCR系统烟气脱硝过程是由下面4个基本过 程完成 接收和储存还原剂 还原剂的计量输出与水混合稀释 在锅炉合适位置注入稀 释后的还原剂 还原剂与烟气混合进行脱硝反应 4 1 2 选择性催化还原脱硝技术 SCR 各种低NO燃烧技术是降低燃煤发电锅炉NO排放值比较经济的技术措施 但一般情xx 况下 低NO燃烧技术最多只能降低NO排放值50 因此根据环保法对排放标准的要求 xx 当要求燃煤发电锅炉的NO降低率超过此值时 就要采用燃烧后的烟气处理技术来降低NOx 的排放值 目前在国际上广泛应用在大型燃煤机组锅炉上的烟气脱硝成熟技术主要是选x 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 择性催化还原技术 Selective Catalytic Reduction 简称SCR 选择性非催化还原 技术 Selective Non CatalyticReduction 简称SNCR 而选择性催化还原法被认为 是最有效 商业上应用较多的NO控制技术 关于选择性催化还原技术的详细内容我们将x 在下边的第5章中独立的做全面介绍 4 1 3 SNCR 与 SCR 混合烟气脱硝技术 SNCR与SCR混合烟气脱硝技术是把SNCR工艺的还原剂喷入炉膛技术同SCR工艺利用逃 逸氨进行催化反应的技术结合起来 进一步脱除NO 它是把SNCR 工艺的低费用特点同x SCR工艺的高效率及低的氨逃逸率进行有效结合 该联合工艺于20世纪70年代首次在日本 的一座燃油装置上进行试验 试验表明了该技术的可行性 理论上 SNCR工艺在脱除部 分NO的同时也为后面的催化法脱硝提供所需要的氨 SNCR体系可向SCR 催化剂提供充足x 的氨 但是控制好氨的分布以适应NO的分布的改变却是非常困难的 为了克服这一难点 x 混合工艺需要在SCR 反应器中安装一个辅助氨喷射系统 通过试验和调节辅助氨喷射可 以改善氨气在反应器中的分布效果 SNCR与SCR混合工艺可以达到40 80 的脱硝效率 氨的逃逸量较高 4 2 国内脱硝技术的现状 我国燃煤电厂在 NO排放控制方面起步较晚 1997 年 1 月 国家对新 扩 改建大x 型燃煤电站 1000t h NO的排放提出限制要求 20 世纪 80 年代中后期 在引进一x 批先进大容量燃煤发电机组的同时 引进了锅炉低 NO燃烧器的制造技术 x 我国低NO燃烧技术的研究开发起步较晚 自20世纪80年代以来 我国开始引进和应x 用低NO燃烧技术 到目前为止已经取得了大量的运行经验 随着我国减排NO标准的不xx 断严格 仅仅依靠燃烧控制已不能满足要求 鉴于选择性还原脱硝 SCR SNCR 技术是 当今世界脱硝工艺的主流工艺 西安热工所对该技术进行了专题研究 并在此基础上提 出将选择性催化还原脱硝 SCR 技术作为我国烟气脱硝技术的主攻方向 中科院大连物 化所研究开发出铂等贵金属催化剂可用于脱硝 中科院山西煤化所对多种催化剂的脱硫 脱硝机理方面进行了多年的试验研究工作 北京大学化学与分子工程学院在一种催化剂 上进行了同时脱硫脱硝的研究工作 4 3 各种烟气脱硝技术设计参数比较 4 3 1 SCR 技术 还原剂以NH 为主 反应温度为320 400 催化剂成分主要为TiO V O 脱硝 3225 效率为70 90 还原剂喷射位置多选择于省煤器与SCR反应器间烟道内 会导致SO 氧 2 化 NH 逃逸体积分数为3 10 5 10 NH 与SO 易形成铵盐 造成空气预热器堵塞 3 6 6 33 或腐蚀 催化剂会造成系统压力损失 燃料的高灰分会磨耗催化剂 碱金属氧化物会使 催化剂钝化 此外 还受省煤器出口烟气温度的影响 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 4 3 2 SNCR 技术 还原剂可用NH 或尿素 反应温度为900 1100 不使用催化剂 脱硝效率为 3 25 50 还原剂通常在炉膛内喷射 但需与锅炉厂家配合 不会导致SO 氧化 NH 逃 23 逸体积分数为10 10 15 10 对空气预热器的影响为不导致SO 的氧化 造成堵塞 6 6 2 或腐蚀的机会为三者最低 没有系统压力损失 燃料对其无影响 此外 它受炉膛内烟 气流速及温度分布的影响 4 3 3 SNCR 与 SCR 混合型技术 还原剂可使用NH 或尿素 反应温度前段为900 1100 后段为320 400 后段 3 加装少量催化剂 成分主要为TiO V O 脱硝效率为40 70 锅炉负荷不同还原剂 225 喷射位置也不同 通常位于一次过热器或二次过热器后端 SO 氧化较SCR低 NH 逃逸体 23 积分数为5 10 10 10 对空气预热器影响为SO 氧化率较SCR低 造成堵塞或腐蚀 6 6 2 的机会较SCR低 催化剂用量较SCR小 产生的压力损失相对较低 燃料的影响与SCR 相 同 受锅炉的影响与SNCR影响相同 通过对以上3种方法的比较 可以看出SCR脱硝效果 比较好 但是工程造价高 SNCR工程造价低 但是效率不高 所以目前工程多采用效率 和造价均中等的SNCR与SCR混合型 通过上述对三种脱硝手段的技术比较分析可知道 目前在较大的燃煤锅炉中 还原 剂的均匀分布则更困难 因为较长的喷入距离需要覆盖相当大的炉内截面为保证脱硝反 应能充分地进行 以最少的喷入NH 量达到最好的还原效果 必须设法使喷入的NH 与烟 33 气良好地混合 若喷入的NH 不充分反应 则逃逸的NH 不仅会使烟气中的飞灰容易沉积 33 在锅炉尾部的受热面上 而且烟气中NH 遇到SO 会产生 NH4 SO 容易造成空气预热 3324 器堵塞 并有腐蚀的危险而且SNCR 烟气脱硝技术的脱硝效率一般不高 受锅炉结构尺寸影响很 大 多用作低NO燃烧技术的补充处理手段 采用SNCR 技术 目前的趋势是用尿素代替x 氨作为还原剂 值得注意的是 近年的研究表明 用尿素作为还原剂时 NO会转化为Nx O N O会破坏大气平流层中的臭氧 22 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 5 电站锅炉烟气脱除 NO 的选择性催化还原方法 SCR 技术x 综述 5 1 SCR 反应脱除 NO 的化学原理x SCR 是一个燃烧后 NO控制工艺 氨法 SCR 整个过程包括将氨气喷入燃煤锅炉产生的x 烟气中 含有氨气的烟气通过一个含有专用催化剂的反应器 在催化剂的作用下 氨同 NO发生反应 转化成水和氮气 在反应过程中 NH 可以选择性地和 NO反应生成 Nx 3 x 和 H O 而不是被 O 所氧化 因此反应又被称为 选择性 所谓选择性是指在催化 222 剂的作用和在氧气存在条件下 NH 优先和 NO发生还原脱除反应 生成氮气和水 而不 3 x 和烟气中的氧进行氧化反应 与 SNCR 技术相比降低了氨的消耗 其反应可表示如下 4NH 4NO O 4N 6H O 5 1 3222 4NH 2NO O 3N 6H O 5 2 32222 其中第一个反应是最主要的 因为烟气中几乎 95 的 NO是以 NO 的形式存在 在没x 有催化剂的情况下 这些反应只能在很窄的温度范围内 980 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 290 430 范围 在 反应条件改变时 还可能发生以下副反应 4NH 30 2N 6H 0 1 267 1 kJ 5 3 3222 2NH N 3H 91 9kJ 5 4 322 4NH 50 4NO 6H 0 907 3kJ 5 5 322 反应式 1 2 主要是在催化剂表面进行的 催化剂的外表面积和微孔特性很大程度 上决定了催化剂反应活性 以下是催化还原的原理图 图 5 1 催化还原的原理图 5 2 影响 SCR 方法脱硝的各种因素 在 SCR 系统设计中 最重要的运行参数是烟气温度 烟气流速 水蒸汽浓度 老化 影响和氨滑移 一 烟气温度是影响催化剂选择性的最重要的运行参数 二 NO的脱除率在某x 一个温度下达到最高点 这是每种催化剂特有的性质 因此 选择催化剂必须考虑电厂 操作温度范围 三 烟气流速 在 SCR 反应器内 烟气流速大 则烟气与催化剂接触 时间短 将导致 NO与 NH 的反应不充分 NO的转化率低 但若烟气流速过小 所需的x 3 x 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 SCR 反应器空间增大 催化剂和设备不能得到充分利用 不经济 四 水蒸气浓度 烟 气中的水蒸气浓度对 NO的脱除效率有不利的影响 水蒸气浓度越高催化剂性能越低 x 五 老化影响 随着催化剂的老化 其催化作用会慢慢失效 老化速度在运行开始比 较大 经过最初的沉降 老化速度开始平缓 六 氨逃逸 还原剂 NH 的用量一般根据 3 期望达到的脱硝效率 通过设定 NO与 NH 的摩尔比来控制 理论上喷入氨的数量应该根x 3 据氨和 NO的质量比 在数字上与 NO的脱除率相等 然而 氨不是完全均一的与 NOxx 混合 通常多于理论量的氨被喷射进入系统 反应后在烟气下游多余的氨称为氨逃逸 x 5 3 SCR 系统布置方式 火电厂的 SCR 反应器可以放在锅炉后面 空气预热器 空预器 前面 也可放在空预 器和除尘设备后面 还可放在烟气脱硫装置后 烟囱前 放在这些位置的 SCR 分别称为 高灰烟气 SCR HD SCR 低灰烟气 SCR LD SCR 和尾部 SCR TE SCR 3 种典型 SCR 系统 布置 如图 5 2 所示 图 5 2 3 种典型的 SCR 系统布置图 其中 HD SCR 是燃煤电站中常用的 因为省煤器和空预器间的烟气温度很适合催化剂 保持高活性 300 400 比其它 2 种方式节省烟气再加热的费用 由于烟气携带灰 粒通过催化剂 为使灰粒顺利通过并减少沉积和对催化剂的腐蚀 设计烟气垂直向下流 动 与 TE SCR 相比 催化剂通道孔较大 壁厚也大 比表面积小 催化剂用量大且活性 低 HD SCR 系统出口烟气中氨残余设计值较低 同时 SO 氧化率也不能高 以减少氨盐 2 在空预器上的沉积 因此 脱硝率受到一定影响 一般能达到 80 85 供给的氨氮比为 0 8 0 85 LD SCR 系统在日本应用相对较多 因其进口煤含硫量低 低温时灰的比电 阻高 除灰率低 TE SCR 系统的最大优势在于可降低催化剂的消耗量 SCR 反应器放在 除尘和脱硫装置的下端 烟气中大量的灰分和 SO 已被脱除 烟气较为干净 因此 可采 2 用小开孔 薄壁 高比表面积的催化剂 以缩小催化剂体积 并使催化剂缓慢退化 但 是 它要求一个额外的气气加热器 将烟气从 90 加热到 300 350 在许多燃煤电 厂 重新加热烟气的费用远远超过减少催化剂体积和系统维护所节省下来的费用 另外 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 TE SCR 系统可用在 SCR 反应器不能放在省煤器和空预器间的机组上 在德国 液态排渣 锅炉为减少砷毒 也采用 TE SCR 系统 TE SCR 脱硝率较高 可达 90 95 在欧洲 30 的液态排渣炉安装 HD SCR 60 为 TE SCR 也有 10 的固态排渣炉采用 TE SCR SCR 系统主要包括装催化剂的反应器 氨贮存处理系统 氨喷射系统和控制系统 氨在 SCR 反应器上游喷入烟气 与烟气混合后进入反应器 在催化剂表面 NO被催化还原 生成x 氮气和水蒸气 5 4 SCR 方法的催化剂研究 催化剂是电厂 SCR 工艺的核心 它约占其投资的 1 3 为了使电站安全 经济运行 对 SCR 工艺使用的催化剂应达到下列要求 低温度时在较宽温度范围具有较高的活性 高选择性 SO 向 SO 转换率低和其他副反应少 对二氧化硫 SO 卤族酸 HCl HF 232 碱金属 Na O K O 和重金属 如 As 具有化学稳定性 克服强烈温度波动的稳定性 对 22 于烟道压力损失小 寿命长 成本低 5 4 1 催化剂种类 按照活性组分的不同 SCR 催化剂可分为以下几类 金属氧化物 碳基催化剂 离子 交换分子筛 贵重金属和钙钛矿复合氧化物 其中 前两类已经实际应用于固定源 NO 治理 贵金属催化剂和钙钛矿复合氧化物多用于汽车尾气净化 离子交换分子筛对 NOx 的催化还原和催化分解活性都很高 实际应用较多的催化剂有金属氧化物 碳基催化剂x 和离子交换分子筛 以 TiO 作为载体的 V O WO 及 MoO 等金属氧化物催化剂在 22233 350 450 时保持较高活性 抗 SO 中毒能力较强 适用于富氧环境 但在氧气存在的情 2 况下 使得废气中的 SO 转化成 SO 进而与氨反应生成硫酸氢氨等固体颗粒 造成反应器 23 的阻塞和磨损 活性炭最大优势在于来源丰富 价格低廉 易于再生 适用于温度较低 的环境 但只有活性炭做催化剂活性很低 常常需要经过预活化处理 或负载一些活性 组分以改善其催化性能 炭的来源 制备与活化条件以及所处理气体的组成等制约了活 性炭催化性能 无论作为催化还原还是催化分解的催化剂 金属离子交换分子筛都具有 很高的活性 沸石分子筛用做催化剂是基于其特殊的微孔结构 沸石的类型 热处理条 件 硅铝比 交换的离子种类 交换度等都会影响其活性 5 4 2 催化剂的主要形式 目前已实际应用的催化剂形式主要有两种 蜂窝式和板式 这两种形式催化剂的特 性比较见表 5 1 催化剂的组成一般包括基材 载体和活性金属 蜂窝式催化剂是载体本 身作为基材制成蜂窝状 结构及功能见表 5 2 表 5 1 蜂窝式和板式的特点比较 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 特 性蜂窝式板式 耐久性优一般 耐腐性优优 可靠性优一般 反复利用率优一般 表 5 2 催化剂的结构及其功能 组 成功 能成 分 基材催化剂形状的骨架钢材 陶瓷 载体活性金属的分散和保持TiO2 活性金属催化剂活性作用V O WO MoO 2533 5 5 SCR 方法在燃煤电厂的应用和发展 一 美国发电公司的 Carneys Point 电厂 Carnneys Point 是美国燃煤电厂中最早安装 SCR 系统的电厂 有两台相同的锅炉 都装有用于高含灰量的 SCR 系统 为保证进入催化剂的气流均匀分配 在反应器中装有 旋转导叶 流量分配装置以及流量调整器 它的运行记录最长 也是美国燃煤电厂中仅 有的具有蜂窝状催化剂层的全容量 SCR 系统 到目前为止 它没有过量氨泄漏的报告 也没有提前冲洗空气预热器的记录 SCR 系统运行情况良好并能满足要求 二 日本电力发展公司 Takehara 电站 Takehara 电站 1 号机组采用 250MW 的燃煤锅炉 燃烧 2 3 2 5 的高硫煤 该机组 在两个平行的 SCR 反应器 A 和 B 上配有热态 低灰 SCR 装置 每个反应器处理 50 的烟 气 SCR 系统放置在高温电除尘器的出口处和空气预热器的进口处 烟气的温度为 348 满负荷时 NO的转换率为 80 尽管进入 SCR 装置的 SO 1800 106 浓度很高 但没发x 2 现由于铵盐而引起的空气预热器的阻塞 空气预热器也无需额外清洗 保持低 NH 渗漏水 3 平也就达到了 三 德国 Reuter West 电站 Reuter west 电站位于柏林 该电站有一热态 高灰 SCR 装置 SCR 反应器装在省煤器和空气预热器之间 常规的 平均温度是 360 NO的转换率超过 85 由于低 SO 生成率和低 NH 渗漏 空气预热x 23 器从未发生阻塞 而且从运行起一直不必清洗 催化层一个星期才进行一次吹灰 运行 效果很好 四 台湾 TAICHUNG 电厂 TAICHUNG 电厂的 1 台 550MW 锅炉上的选择性催化还原 SCR 系统 由于该 SCR 系统 所要求的烟气温度为 300 400 反应器放置在省煤器和空气预热器之间 这里的温度 范围正好满足其反应要求 运行过程中 催化剂活性会逐渐降低 直至完全丧失 此时 必须用催化剂的备品替换 按设计要求 燃油和燃煤电厂每年要更换 1 3 的催化剂 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 五 福建后石电厂 国内使用 SCR 技术的燃煤电站只有福建漳州的后石电厂 该电厂设计装机容量为 6 600 MW 机组脱硝采用炉内脱硝和烟气脱硝相结合的方法 炉内脱硝的方式采用 PM 型低 NO燃烧器加分级燃烧脱硝法 烟气脱硝方式采用日立公司的 SCR 技术 液氨从液x 氨槽车由卸料压缩机送入液氨储槽 再经过蒸发槽蒸发为氨气后通过氨缓冲槽和输送管 道进入锅炉区 与空气均匀混合后进入 SCR 反应器内部反应 SCR 反应器设置于空气预热 器前 氨气在 SCR 反应器的上方 通过一种特殊的喷雾装置和烟气均匀分布混合 混合 后烟气通过反应器内触媒层进行还原反应过程 后石电厂烟气脱硝系统设计规范见表 5 3 表 5 3 福建后石电厂 1SCR 系统设计参数 项目 规范 工艺干式催化剂脱硝 燃料煤 SCR 反应器数量1 套 炉 催化剂类型BHK 公司板式 烟气流量 Nm h 31 177900 烟气温度 370 max 420 入口 NO浓度 mg m ppm x 3 308 150 出口 NO浓度 mg m ppm x 3 82 185 50 NH 逃逸 ppm 3 5 NH NO反应摩尔比 3 x0 77 内部压降 mmH O 2 26 脱硝效率 40 0 73 3 5 6 SCR 方法的技术特点和弊端 SCR 具有以下特点 一 脱 NO效率高 可达到高于 80 的脱硝效率 满足严格的x NO排放标准要求 远高于 SNCR 法 25 40 的脱 NO效率 二 适用范围广 SCR 法xx 适用于各种容量的锅炉机组 而 SNCR 只适用于小型锅炉 三 运行可靠 便于维护和检 修 同时 SCR 又具有以下弊端 一 费用昂贵 与其它脱硝技术如燃烧中脱硝技术比 SCR 初期投资和运行成本均高出许多 燃煤机组 SCR 改造费用为 40 70 美元 kW 而低 NO燃烧技术和再燃技术改造费用只需 10 40 美元 kW 催化剂活性需要日常维护 如吹x 灰清洁 且催化剂使用寿命短 在脱硝率 80 90 的情况下 生产厂保证寿命一般为 16 000 24 000 h 催化剂更换费用高 1m 的催化剂价格在 5 000 美元左右 二 系 3 统复杂在部分负荷运行时 SCR 系统运行需要额外热源加热催化剂反应器 在起炉和停炉 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 过程中 要保证 HD SCR 系统运行 省煤器和反应器均应设计有旁路 SCR 反应器体积庞 大 占用空间大 1 台 400MW 机组的 SCR 催化剂体积要 300 500 m 三 氨引起的各 3 类问题 SCR 反应过程会使 SO 氧化成 SO 与氨形成硫酸铵或硫酸氢铵 并在下端设备 23 沉淀及腐蚀 需要污水处理系统除去废水中的氨 增加飞灰中的 NH 化合物 改变飞灰的 3 品质 当飞灰中氨含量大于 80mg kg 就会影响飞灰销售或需要额外处理才能被利用 但 是最近的研究成果中 对于 SCR 的氨喷入系统有了很多改进 大多数反应器的水平段安 装有烟气导流 优化分布的装置以及氨的喷射隔栅 在反应器的竖直段装有催化剂床 下装催化剂 上层是将来安装催化剂而保留的 而且在催化剂床周围安装了灵活的封闭 系统防治烟气泄漏 催化剂块体之间的封条也具有防止气体逃逸的功能 从而大大提高 了氨的利用 降低成本且减少二次成本 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 6 600MW 燃煤机组的 SCR 方法物质平衡计算 6 1 机组初始参数和 SCR 计算方法简述 本文选取机组为 600MW 燃煤超临界机组 燃用煤种为大同烟煤 有关数据见表 6 1 本文计算时首先采用煤在炉内完全燃烧的状态 计算出该机组额定符合下的理论烟气量 进而计算出中的 NO含量 在 SCR 反应计算过程中忽略副反应的计算 而且由于 NO中xx 95 以上是 NO 所以在计算中只考虑主反应即氨与一氧化氮的反应 即反应式 5 1 从 而在氨氮比确定后就可以计算出氨的理论喷入量 再根据逃逸率计算出实际参与反应掉 的氨 根据摩尔比就很容易计算出脱硝效率了 表 6 1 大同烟