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烟气脱硝系统和设备介绍 杭州尊邦科技股份有限公司张岗 1 NOx种类2 NOx对环境的危害3 NOx生成机理及影响因素4 国家NOx排放标准5 控制NOx技术措施6 低NOx燃烧技术7 SNCR技术8 SCR技术 目录 1 一般意义上的氮氧化物包括N2O NO NO2 N2O3 N2O4 N2O5等 但对大气造成污染的主要是NO NO2和N2O 2 燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和NO2 被统称为NOx 还有一定量的N2O 在绝大多数燃烧方式中 产生的NO占90 以上 3 由于NO在大气环境中很快会氧化成NO2 因此通常用NO2的质量浓度来表示NOx浓度 1 氮氧化物种类 1 引发酸雨或酸沉降NOX在自然界发生如下反应 NO 1 2O2 NO2NO2 H2O HNO3生成的硝酸 hydrogennitrate 导致降雨的pH降低 当降雨的pH小于5 6时 雨水呈酸性 被称为酸雨 acidrain 或酸沉降 nitratedeposition 2 NOX对环境的危害 2 氮在自然界的循环及酸雨的形成 酸雨被认为是当前最严重的环境问题之一 过量的氮氧化物在生态系统 ecosystem 中造成水体 土壤化学性质的改变 导致农业减产 鱼类死亡 高山植物种群的更改 生物多样性 biodiversity 的锐减 2 酸雨的危害性 2009年全国降水pH年均值等值线图 2 引发光化学烟雾NOX和碳氢化合物 hydrocarbons CmHn 是引发光化学烟雾的主要物质 光化学烟雾属于二次污染 大气中的NOX和碳氢化合物在强光照射下将发生如下反应 造成近地面空气中O3和PAN 过氧化乙酰硝酸盐 浓度升高 危害对人的呼吸系统和动植物的发育 2 NOx对环境的危害 N2O是在燃烧的起始阶段形成的极其稳定的一种氮氧化物 可以在大气中存在上百年 N2O对环境具有双重的损害作用 温室效应和破坏臭氧层 3 N2O是温室气体 2 NOx对环境的危害 ppb partsperbillion 2 三种主要温室气体在大气中的增加情况 2 全球气候变暖的趋势 1951 2009年中国年平均气温变化曲线图 臭氧层的破坏导致过量紫外线直达地表 对地球生物造成伤害 美国宇航局提供的南极臭氧层空洞照片observedozonospherehole N2O CFCS等物质在紫外线照射下使O3分解为O2 2 N2O是一种破坏臭氧层的物质 A 热力型NOX主要反应N2 O NO NN O2 NO ON OH NO H相关因素高温环境燃料与空气的充分混合无烟煤燃烧中 热力型NOx可到一半以上 3 NOx的生成机理及影响因素 B 燃料型NOX燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物 相关因素与燃料和空气的混合程度密切相关与燃烧区域的温度关系不大烟煤燃烧中 约80 的NOx为燃料型 3 NOx的生成形式及影响因素 C 快速型NOX在燃烧的早期生成形成过程氮和燃料中的碳氢化合物反应N2 CH化合物 HCN化合物HCN化合物氧化生成NOHCN化合物 O2 NO对于燃煤锅炉 快速型NOx所占份额一般低于5 3 NOx的生成形式及影响因素 4 国家NOx排放标准 GB13223 2003 现行 4 1氮氧化物最高允许排放浓度限值火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度执行表中规定的限值 第3时段火力发电锅炉须预留烟气脱除氮氧化物装置空间 液态排渣煤粉炉执行Vdaf 10 的氮氧化物排放浓度限值 表3火力发电锅炉及燃气轮机组氮氧化物最高允许排放浓度单位 mg m3 4 国家NOx排放标准 GB13223二次征求意见稿 5 NOx的控制方法分类 1 燃烧中NOx生成的控制2 烟气中NOx的脱除 控制原理降低燃烧温度控制燃料和空气的混合速度与时机主要控制手段燃烧器设计参数 风速 风温 旋流强度等 优化煤粉浓缩技术分级送风技术注意事项锅炉的燃烧效率煤粉的着火和稳燃 6 低NOx燃烧技术 6 低NOx燃烧技术 6 低NOx燃烧技术 7 SNCR技术 SNCR SelectiveNon CatalyticReduction 技术 即选择性非催化还原技术 它是目前主要的烟气脱硝技术之一 在炉膛800 1250 这一狭窄的温度范围内 在无催化剂作用下 NH3或尿素等氨基还原剂可选择性地还原烟气中的NOx 主要反应氨4NO 4NH3 O2 4N2 6H2O尿素2NO NH2 2CO 1 2O2 2N2 2H2O CO2反应温度 800 1250 最佳反应温度 870 1050 脱硝效率对于城市固体垃圾炉转化效率在30 50 之间 大型电站锅炉的转化效率控制在30 50 之间 7 SNCR技术 尿素在燃烧器内的转化过程 2NH2 2NO CO O2 2N2 CO2 2H2O 7 SNCR技术 氨水在燃烧器内的转化过程 7 SNCR技术 尿素SNCR系统工艺 SNCR系统主要设备尿素溶液储存与制备系统尿素溶液稀释模块尿素溶液传输模块尿素溶液计量模块尿素溶液喷射系统 SNCR系统主要设备 SNCR技术特点 尿素和氨是常用的两种还原剂 没有固体与液体废物产生 大型锅炉由于混合问题 一般脱硝效率在30 50 左右 所需空间小 实施快捷方便 初投资和运行成本低廉 对锅炉运行不会产生任何影响 风险性低 不受电厂炉型及燃用煤种的影响 适应性广 7 SNCR技术 SNCR技术应用现状 80年代中期SNCR技术在国外研发成功 90年代初期成功地应用于大型燃煤机组 目前世界上有超过300台锅炉应用SNCR技术 美国2005年前脱硝机组数 SNCR90个 SCR192个 我国SNCR应用江苏利港电厂 4 600MW 江苏阚山电厂 2 600MW 华能伊敏电厂 2 600MW 国华北京热电公司 4 100MW 广州瑞明电力 2 125MW 7 SNCR技术 SNCR减排效果 7 SNCR技术 SNCR脱硝技术关键 影响SNCR效果的主要因素正确的温度窗口合适温度范围内的停留时间良好的混合还原剂与NOx摩尔比技术关键喷射点的选取喷射器的设计不同负荷下的的喷射控制策略 7 SNCR技术 炉膛燃烧CFD模拟 获得准确的 温度场流场燃烧气氛 7 SNCR技术 SNCR控制系统 独立的PLC控制系统 预留OPC通讯接口与电厂DCS通讯配置打印机 UPS等设备 手动和自动两种运行模式能自动控制药剂浓度 并检测锅炉尾部烟道的NOx的含量 通过PID调节控制喷入炉膛内的药剂流量 周期记录系统运行工况数据 7 SNCR技术 测量监控 排烟NOx浓度 NH3浓度还原剂溶液储罐液位 温度溶解池液体密度 反算溶液浓度是否合格 配制溶液用水流量 配制溶液用气流量 温度 压力给料器给料量计量在线溶液稀释用水流量 储罐送出溶液流量每层喷射层投运情况雾化蒸汽压力 流量喷射层的雾化蒸汽压力调节 计量 7 SNCR技术 整体控制逻辑 锅炉负荷 蒸汽流量 逻辑控制 尿素罐溶液流量稀释水流量雾化压力喷射层 在线监测 NH3 NO 反馈 前馈 7 SNCR技术 流化床锅炉采用SNCR的优势 温度窗口通常流化床炉膛出口烟气温度在800 950 此温度为氨的最佳温度停留时间通常旋风筒内停留时间2 5s 3 2s旋风筒分离器后到尾部烟道停留时间0 5 1s混合特性旋风桶内强烈扰动混合旋风筒至尾部烟道一般要经历两个转弯 可强化混合 7 SNCR技术 选择性催化还原 SCR SelectiveCatalyticReduction 的原理是在催化剂作用下 还原剂NH3在相对较低的温度下将NO和NO2还原成N2 而几乎不发生NH3的氧化反应 从而提高了N2的选择性 减少了NH3的消耗 该工艺于20世纪70年代末首先在日本开发成功 80年代和90年代以后 欧洲和美国相继投入工业应用 现已在世界范围内成为大型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺 在NH3 NOx的摩尔比为1时 NOx的脱除率可达90 NH3的逃逸量控制在5mg L以下 为避免烟气再加热消耗能量 一般将SCR反应器置于省煤器后 空气预热器之前 即高飞灰布置 氨气在加入空气预热器前的水平管道上加入 与烟气混合 对于新建锅炉 由于预留了烟气脱氮空间 可以方便地放置SCR反应器和设置喷氨槽 SCR系统由氨供应系统 氨气 空气喷射系统 催化反应系统以及控制系统等组成 催化反应系统是SCR工艺的核心 设有NH3的喷嘴和粉煤灰的吹扫装置 烟气顺着烟道进入装载了催化剂的SCR反应器 在催化剂的表面发生NH3催化还原成NOx 8 SCR技术 主要反应4NO 4NH3 O2 4N2 6H2O2NO2 4NH3 O2 3N2 6H2O6NO2 8NH3 7N2 12H2O反应温度230 450 一般应用温度 320 400 转化效率在70 90 之间 8 SCR技术 典型火电厂烟气SCR脱硝系统流程图 8 SCR技术 1 高含尘布置优缺点 优点 烟气温度在320 400 之间满足常规催化剂的反应要求 脱硝效率高 缺点 烟气灰尘和重金属离子 Ca As Na等 易使催化剂磨蚀和中毒 催化剂选择性强 使用寿命短 烟气中SO2易被转化成SO3 并与未反应的NH3在低温条件下生成硫酸盐 造成催化剂及下游设备堵塞腐蚀 2 低含尘布置优缺点 优点 催化剂在 干净 的烟气环境下工作 不会发生催化剂污染 中毒和磨蚀 使用寿命长 缺点 在催化剂反应器前必须增装烟气加热器 系统复杂 能耗高 结论 综合技术经济方面因素 反应器高含尘布置比较合理经济 同时结合国外SCR工程大多数都是高含尘布置的经验 国内SCR首先推荐采用高含尘布置 8 SCR技术 8 SCR技术 反应器 催化剂系统烟气 氨的混合系统氨的储备与供应系统烟道系统 的控制系统 SCR系统组成 8 SCR技术 的系统构成 8 SCR技术 为确保喷氨烟气在催化床层表面能均匀地进行催化还原反应 在SCR反应器上端设置烟气整流层 在催化剂层上游 应达到以下的烟气速度和温度分布 速度分布 15 80 ofSCR反应器 截面 20 20 ofSCR反应器 截面 温度分布 10K 完全在SCR反应器 截面之上 速度方向 在垂直方向最大有 15 的偏差 8 SCR技术 SCR系统主要设备 反应器 催化剂系统主要设备 反应器催化剂吹灰器 8 SCR技术 SCR系统主要设备 烟气 氨的混合系统主要设备 稀释风机静态混合器氨喷射格栅 AIG 空气 氨混合器 8 SCR技术 氨的喷射栅格和静态混合器 NH3喷射栅格 静态混合器 PhotocourtesyofSiemens FlowModelTestsbrochure 1998 8 SCR技术 氨喷射格栅及静态混合器 8 SCR技术 氨的流量分配阀门站 氨稀释风机氨 空气混合器 8 SCR技术 SCR系统主要设备 氨的储备与供应系统卸料压缩机氨蒸发器 电 蒸汽 氨罐缓冲罐稀释槽 8 SCR技术 反应剂原料 8 SCR技术 氨的存储系统 8 SCR技术 氨的蒸发器 卸氨压缩机 稀释槽 8 SCR技术 烟道系统挡板 有旁路 膨胀节导流板烟道 8 SCR技术 省煤器旁路当锅炉低负荷运行时 省煤器出口烟气温度下降 这时可以采用省煤器旁路来提升SCR入口烟气温度 反应器旁路锅炉低负荷运行时SCR系统入口烟气温度会降低 锅炉启 停时烟气温度可能大幅度波动 在美国 大多采取SCR旁路措施使烟气绕过SCR反应器 日本一般不采取SCR旁路措施 认为只要控制严格 管理到位 能克服负面影响 降低工程费用 8 SCR技术 烟道系统 8 SCR技术 的控制系统 DCS PLC 仪表 盘柜等一 控制系统方案控制系统纳入机组 独立的控制系统二 主要受控系统吹灰系统氨的卸载 储存和供应系统烟气挡板调节系统脱硝主体控制系统 8 SCR技术 脱硝的主要反应 4NO 4NH3 O2 4N2 6H2O2NO2 4NH3 O2 3N2 6H2O6NO2 8NH3 7N2 12H2O 8 SCR技术 催化剂型式 波纹板式 蜂窝式 板式 8 SCR技术 板式亚基龙巴布科可日立 BHK 波纹板式丹麦托普索日立造船 催化剂主要的供应商 8 SCR技术 蜂窝式康明泰克 美国 亚基龙 德国 日本化成重庆远达浙江瑞基国电龙源 催化剂的比较 8 SCR技术 烟气流量以及进口NOx浓度脱硝效率NH3逃逸量SO2 SO3转化率烟气中飞灰的含量烟气中飞灰颗粒尺寸反应器布置空间 催化剂的寿命使用NH3的烟气最低温度高温下催化剂的烧结As的毒化碱土金属 CaO 碱金属 Na K 的毒化卤素 Cl 的毒化飞灰磨损 催化剂选择主要因素 催化剂设计中要考虑其它因素 8 SCR技术 SCR催化剂安装 8 SCR技术 SCR催化剂的吹灰 8 SCR技术 对空预器的影响 烟气中部分SO2转化成SO3由于SO3的增加