燃煤电厂SCR脱硝工艺的设计.doc

精品文档 I欢迎下载I欢迎下载I欢迎下载 摘摘 要要 我国是能源生产与消费的大国 一次能源供应以煤炭为主 石油 天然气资 源短缺 然而我国污染物排放总量长期居高不下 远远超过环境自净能力 其中 氮氧化物的污染不断加剧 特别是北京 上海 广州等一些大城市 氮氧化物含 量超标 SCR工艺与其它工艺相比 具有较高的NOX脱除率 80 以上 将燃煤电厂烟 气排放NOX控制在较低的浓度 以满足不断更新的更加严格的排放标准 而且该工 艺无副产物 不形成二次污染 装置结构简单 运营可靠 便于维护 本设计针对电厂燃煤锅炉产生烟气的排放要求和一些工程实例 对SCR系统的 工艺结构进行了设计计算 并对催化剂及辅助设备进行了选型 关键词 关键词 氮氧化物 SCR工艺 催化剂 结构设计 精品文档 II欢迎下载II欢迎下载II欢迎下载 AbstractAbstract Our country is the energy production and the expense great nation an energy supply by the coal the petroleum and the natural gas resource is primarily short Therefore our country pollutant discharge total quantity stays at a high level for a long time goes far beyond the environment automatic depuration ability The nitrogen oxide pollution intensifies unceasingly nitrogen oxide content exceeding the allowed figure specially Beijing Shanghai Guangzhou and other some big cities The SCR craft compares with other crafts has the high NOX removing rate above 80 will burn coal the power plant haze to discharge the NOX control in the low density and satisfies the stricter emission standard which renews unceasingly Moreover this craft does not have the by product does not form secondary pollution the installment structure is simple the operation is reliable is advantageous for the maintenance This design has the haze nature and the emissions request in view of the power plant coal fired boiler has carried on the design calculation to the SCR system equipment s structure and carries on the shaping to the catalyst and the supporting facility Key words Nitrogen oxide SCR process catalyst structural design 精品文档 III欢迎下载III欢迎下载III欢迎下载 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 前 言 1 1 1 综述 1 1 1 1 选题背景 1 1 1 2 研究意义 1 1 2 NOX的特性 来源和危害 2 1 2 1 NOx 的特性 2 1 2 2 NOx 的来源 2 1 2 3 NOx 的危害 3 1 2 4 燃煤电站 NOX的产生 5 1 3 环保政策法规 5 1 4 NOX污染的治理 6 1 4 1 我国燃煤 NOx 排放现状 6 1 4 2 常规处理 6 1 4 3 燃烧后控制 8 1 5 SCR 脱硝工艺 11 1 5 1 SCR 基本原理 11 1 5 2 典型 SCR 系统组成 13 1 5 3 SCR 工艺流程 13 1 5 4 SCR 工艺系统布置分类 14 1 6 催化剂 16 1 7 还原剂原料 19 1 7 1 液氨 19 1 7 2 氨水 19 1 7 3 尿素 19 1 8 SCR 反应器 20 1 9 喷氨格栅 22 精品文档 IV欢迎下载IV欢迎下载IV欢迎下载 1 10 吹灰器 23 1 11 影响 SCR 脱硝性能的几个关键因素 24 1 11 1 催化剂 24 1 11 2 反应温度 25 1 11 3 适当的氨气输入量及与烟气的均匀混合 25 第二章第二章 SCRSCR 系统的设计与计算系统的设计与计算 26 2 1 项目执行标准 26 2 2 原始参数 26 2 3 SCR 反应器设计计算 26 2 3 1 SCR 反应器尺寸计算 27 2 3 2 塔的设计计算 29 2 3 3 催化剂的选型 33 2 3 4 喷氨系统喷射管设计 33 2 3 5 氨气 烟气静态混合器 34 2 3 6 吹灰器设计 35 第三章第三章 SCRSCR 辅助设备选型辅助设备选型 37 3 1 供氨装置 37 3 1 1 卸氨压缩机 37 3 1 2 液氨储罐 38 3 1 3 液氨蒸发器 39 3 1 4 氨气缓冲罐 40 3 1 5 氨气稀释槽 41 3 1 6 氨 空气混合器 41 3 1 7 废水泵 42 3 2 液氨提升泵的选型 42 3 3 省煤器旁路 42 3 4 进出口烟道 43 第四章第四章 经济分析与工程概算经济分析与工程概算 44 4 1 经济分析与评价的意义和基本原理 44 4 1 1 经济分析与评价的意义 44 精品文档 V欢迎下载V欢迎下载V欢迎下载 4 1 2 经济分析与评价的基本原理 44 4 2 工程概算 45 4 2 1 编制依据 45 4 2 2 工程概算 45 4 3 技术经济分析 46 4 3 1 投资总额 46 4 3 2 职工定员 46 4 3 3 生产成本计算 46 4 4 运行与维护 48 4 4 1 氨区的安全规范 48 4 4 2 SCR 系统操作规程 48 4 5 安全和环境保护 48 4 5 1 一般规定 48 4 5 2 环境保护 49 第五章第五章 结论与建议结论与建议 50 5 1 结论 50 5 2 建议 50 参参 考考 文文 献献 51 致 谢 53 声 明 54 精品文档 1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载 第一章 前 言 1 1 综述 1 1 1 选题背景 我国是能源生产与消费的大国 一次能源供应以煤炭为主 石油 天然气 资源短缺 然而我国污染物排放总量长期居高不下 远远超过环境自净能力 其 中 氮氧化物的污染不断加剧 特别是北京 上海 广州等一些大城市 氮氧化 物含量超标 局部地区甚至出现了光化学烟雾 以煤炭为主的一次能源生产和消 费结构带来了严重的环境污染问题 并损害了可持续发展的经济和环境基础 目前 火电厂氮氧化物的排放量约占全国氮氧化物排放总量的一半 火电厂 的数量仍然在不断增加 控制氮氧化物排放量已成为火电厂继烟气除尘 脱硫之 后的第三项污染重点治理工作 国家和地方环保部门对电厂污染物的排放和总量 有了较严格的控制 北京和天津的地方排放标准比国家标准要求更高 北京 DB11 139 2007 锅炉大气污染物排放标准 中 08年的第II时段比07年第I时段 的排放要求高 以后逐渐更加严格 单纯的低氮燃烧技术已无法满足氮氧化物的 排放标准 目前应用最广最有效的烟气脱硝主流技术是SCR技术 能达到90 以上 的脱硝效率 在2010年12月3日结束的 十二五 中国精细化工产业发展研讨会上 中国化工 经济技术发展中心副总工程师 全国精细化工原料及中间体行业协作组副理事长 徐京生透露 由于新增氮氧化物控制指标 十二五 期间 有关化肥企业的脱硝 将成为节能减排新的着力点 我国脱硝市场也将快速启动 国家将在 十二五 期 间像强制脱硫一样实施强制脱硝 据介绍 目前 国内绝大多数企业采用的脱硝 技术尚处于引进 消化吸收和初步应用阶段 环保领域在 十二五 期间的投资需 求非常巨大 脱硝成为最值得关注的部分 预计 十二五 和 十三五 期间 国家 在这一领域的投资需求将高达万亿元 在脱硫 除尘之后 脱硝毫无疑问将成为 十二五 节能减排的重中之重 精品文档 2欢迎下载2欢迎下载2欢迎下载 1 1 2 研究意义 目前我国脱硫工作已经取得较大进展 但氮氧化物的污染问题尚未得到有效 控制 酸雨类型已经从硫酸型向硫酸和硝酸复合型转化 火电厂是氮氧化物的主 要排放源 因此 对火电厂进行 脱硝 迫在眉睫 最新颁布的 火电厂大气污染物排放标准 与2009年发布的初稿相比 无论 是 脱硝 完成时间要求 还是减排力度 都有明显提高 该标准计划从2012年开 始实施 其中 从2012年1月1日开始 所有新建火电机组NOX排放量要达到100 mg m3 从2014年1月1日开始 重点地区所有火电投运机组NOX排放量要达到 100mg m3 而非重点地区2003年以前投产的机组达到200 mg m3 而环保部2009年7月份发布的第一次征求意见稿则要求在2015年1月1日前完成 现役机组 脱硝 其中 重点地区NOX排放量达到200 mg m3 非重点地区达到400 mg m3 除了比2009年初稿要求更高之外 新标准也比欧盟相关规定要求更高 SCR烟气脱硝这一技术在欧洲 日本 美国等发达国家和地区已得到了广泛的 应用 我国SCR技术的研究始于20世纪90年代 国内绝大多数企业采用的脱硝技术 尚处于引进 消化吸收和初步应用阶段 因此 对SCR工艺进行深入研究 对我国 脱硝技术的发展有着重要意义 1 2 NOx的特性 来源和危害 1 2 1 NOx 的特性 NOX即氮氧化物 氮氧化物包含多种化合物 如一氧化氮 NO 一氧化二氮 N2O 二氧化氮 NO2 三氧化二氮 N2O3 和四氧化二氮 N2O4 等 除NO2 外 其余NOX均不稳定 条件变化时 如遇光 热 湿会变成NO2及NO 而NO又变成 NO2 常规职业环境中接触的是几种气体混合物 常称为硝烟 主要为NO2和 NO NO2为主 一氧化氮 NO 性质不稳定 无色 在空气中易氧化成NO2 溶于乙醇 二氧 化碳 微溶于水和硫酸 熔点 163 6 沸点 151 5 蒸气压力101 31kPa 151 7 精品文档 3欢迎下载3欢迎下载3欢迎下载 二氧化氮 NO2 性质较稳定 溶于碱 二氧化碳和氯仿 在 11 以下时为 无色固体 在21 1 以下时 暗褐色液体 21 1 时 红棕色气体 气味刺鼻 熔点 11 2 沸点21 2 蒸气压力101 31kPa 21 1 2 2 NOx 的来源 大气中NOX污染物来源于两个方面 一是自然源 二是人为源 自然源的NOX主 要来自微生物活动 生物体氧化分解 火山喷发 雷电 平流层光化学过程 土 壤和海洋中的光解释放等 自然源产生的NOX数量比较稳定 且相对基本平衡 变 化大的是人为源 人为源的 NOX由人类的生活和生产活动产生并排放进入大气 产生的NOX的人 类活动主要有 1 燃煤电站 交通车船和飞机等化石燃料燃烧过程产生的NOX 2 硝酸生产 冶炼等生产产品过程产生的NOX 3 垃圾和污泥焚烧等处理废物过程产生的NOX 其中 化石燃料燃烧过程产生的NOX占主要地位 因为其随着社会的经济发展 的需求呈现增长的趋势 目前的三大环境问题是 1 温室效应 2 酸雨 3 臭氧层破坏 上述大气环境问题的污染物中 都有NOX 可知其对自然界的影响力之大 NOX 具有很强的毒性 是形成光化学烟雾 形成硝酸型酸雨 破坏臭氧层的主要物质 之一 对环境 生态 人类的危害 对经济发展的阻碍都很大 1 2 3 NOx 的危害 各种污染源产生的氮氧化物中 绝大部分为 NO 毒性不是很大 但 NO 在大 气中被氧化成 NO2 NO2比较稳定 毒性是 NO 的 4 5 倍 NO2是一种红棕色有毒的 恶臭气体 空气中只要有 0 1ppm 1ppm 1 L L 浓度就可闻到 1 4ppm 即有恶臭 25ppm 就恶臭难闻了 空气中的含量在 3 5 10 6 体积分数 持续 1 小时 开始 对人体有影响 含量为 20 50 10 6时 对人眼有刺激作用 当含量达到 150 10 6时 对人体器官有强烈的刺激 4 精品文档 4欢迎下载4欢迎下载4欢迎下载 NO2对人类和动植物的危害很大 更为严重的是 NO2在日光作用下会产生新 生态氧原子 NO2 NO O 这种新生态氧原子在大气中将会引起一系列连锁反应 并与未燃尽的碳氢化合物一起形成光化学烟雾 其毒性更强 如在 20 世纪 70 年 代初 日本东京发生的一起光化学烟雾 使上万人喉头发炎 眼鼻受到刺激甚至 昏倒 因在这一些反应中产生了各种毒性很强的二次污染物 如臭氧 过氧乙酰 硝酸酯 PAN 过氧基硝酸酯 PBN 以及过氧硝基丙酰 PPN 等 1 大气 NOX 浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染 造成区域性的氧化剂污染和细颗粒 物污染 使区域空气质量退化 太阳辐射减少 气候发生变化 对生态系统造成 损害 使农作物减产 光化学烟雾会使大气能见度降低 对眼睛 喉咙有强烈的 刺激 并产生头痛 呼吸道疾病恶化 严重的甚至死亡 表 1 1 NO2不同浓度对动植物的危害 NO2的浓度 ppm危害 0 5 4 个小时 肺细胞病理组织发生变化 3 12 个月 患肺气肿 抵抗力下降 1闻到臭味 2 5大于 7 个小时 农作物如西红柿 豆类等的叶子变白 3 5大于 2 个小时 动物感染细菌的机会增大 5臭味强烈 10 15眼 鼻及呼吸道受到刺激 25人只能短时间暴露 501 分钟内 鼻受强烈刺激 呼吸异常 805 分钟内 感到胸痛 100 1501 小时内 因肺水肿而死亡 200 以上人立即死亡 由于大气的氧化性 NO在大气中可形成硝酸和硝酸盐细颗粒物 同硫酸和硫 酸细颗粒物一起 发生远距离传输 加速了区域性酸雨的恶化 3 我国一些地方 的酸雨污染已经由单一的硫酸型向硝酸根离子不断增加的复合型转化 精品文档 5欢迎下载5欢迎下载5欢迎下载 大气中的NOX也破坏着臭氧层 臭氧层对大气的循环以及大气的温度分布起着 重要的作用 臭氧层被破坏使平流层获得的热量减少 达到地球表面的太阳辐射 增加 导致全球气候变化 紫外线的UV B段辐射增强会引起皮肤病 白内障及免 疫系统的疾病等 大气被NO2污染后还会使得机器设备和金属建筑物过早地损坏 妨碍和破坏植 物的生长 降低大气的可见度 阻碍热力设备出力的提高 甚至使设备的效率降 低 1 1 2 4 燃煤电站 NOX的产生 煤燃烧产生的氮氧化物主要来自两个方面 一是燃烧时空气带进来的氮 在 高温下与氧反应所生成的 NO 它被称为 热力 NO T NO 二是来自燃料中固有 的氮化合物经过复杂的化学反应所生成的氮的氧化物 称为 燃料 NO F NO 这 两部分氮的氧化物的形成机理是不同的 除此之外 还有一部分是分子氮在火焰 前沿的早期阶段 在碳氢化合物的参与影响下 通过中间产物转化的 NOX 称为 瞬态型的 NOX 这部分数量很少 一般不予考虑 1 1 3 环保政策法规 随着国家的 五年 计划实施 国家对燃煤发电的污染物排放问题给予了高度 的重视 1997年国家环保总局发布了 九五 期间全国主要污染物排放总量控制实施 方案 确定了 九五 期间对二氧化硫在内的12种污染物的总量控制原则 并将 脱硫脱硝列入 国家环境保护科技发展 九五 计划和2010长远规划 同年8月 国家科委将脱硫装置列入 国家高新技术产品目录 1998年发布了 关于在酸雨控制区和二氧化硫污染控制区开展征收二氧化硫 排污费扩大试点的通知 规定了二氧化硫排污费的征收范围和征收标准 2002年再次修订了 中华人民共和国大气污染法 对于超过排放标准或者 总量控制指标的新建 扩建项目必须配套建设脱硫装置 在两控区内 已建企业 超过排放标准的 必须规定限期治理 也要求企业对燃烧过程中产生的氮氧化物 采取措施 精品文档 6欢迎下载6欢迎下载6欢迎下载 2003年发布了 排污费征收标准管理办法 规定从2004年7月1日期 NOX排 污费俺0 6元 当量 1当量 0 95千克 收取 2004年3月7日 实施最新的GB13223 2003 火电厂大气污染物排放标准 通过排放量和排放浓度的双重控制 时段燃煤SO2为400mg m3 时段燃煤 NOX为650mg m3 时段燃煤NOX为450mg m3 北京市环保局及北京时技术监督局联合颁发了 锅炉污染物综合排放 北京市 地方标准DB11 139 2002 提出了更为严格的排放标准 1 4 NOX污染的治理 1 4 1 我国燃煤 NOx 排放现状 电力行业是国民经济的基础行业 经济的快速发展 电力需求随之不断增长 大容量高参数的火电机组正成为电力工业的主力机组 燃煤电厂的NOX排放总量日 益增加 仅电厂燃煤量就占全国煤炭消耗总量的约50 这个比例仍有不断增加的 趋势 其燃煤产生的大气污染物也将持续增长 我国燃煤发电主要是直接燃烧的方式 煤炭燃烧产生大量的烟尘 硫氧化物 氮氧化物 汞等重金属氧化物 以及二氧化碳 还有废水和固体排放 经过近几 十年的努力 固体渣和废水的排放 烟尘的排放都得到了有效的控制 二氧化硫 的排放控制也取得了成效 因此 氮氧化物成为继二氧化硫之后燃煤发电污染物 治理的重点 据测算 我国2000年氮氧化物的排放量为1500万吨 如果不加以控 制 预计到2020年氮氧化物的排放量将达到2639万吨 然而我国环境的二氧化硫 容量只有1620万吨 氮氧化物的环境容量只有1800万吨 出现酸雨的城市已有265 个 控制氮氧化物的排放是我国经济可持续发展亟待解决的重要问题 1 4 2 常规处理 目前 我国的燃烧产生氮氧化物控制方法主要有燃烧前控制 燃烧中控制和 燃烧后控制三类 7 1 燃烧前控制 燃烧前控制是指选用低氮燃料 成本很高 工程上应用较少 2 燃烧中控制 精品文档 7欢迎下载7欢迎下载7欢迎下载 燃烧中控制是指改进燃烧方式和生产工艺 采用低 NOX燃烧技术 降低炉内 NOX生成量 低 NOX燃烧技术的主要途径有以下几个方面 5 1 减少燃料周围的氧浓度 包括 减少炉内过量空气技术 以减少炉内空气总量 减少一次风量和减少挥发 分燃尽前燃料与二次风的混合 以减少着火区的氧浓度 2 在氧浓度较少的条 件下 维持足够的停留时间 使燃料中的氮不易生成 NOX 而且使生成的 NOX经过 均相或多相反应而被还原分解 3 在过量空气的条件下 降低温度峰值 以减 少热力型 NOX的生成 如采用低热风温度和烟气再循环等 最常用的低NOX燃烧技术包含了低过量空气燃烧 空气分级燃烧 燃料分级燃 烧和烟气再循环等技术 5 分级燃烧就是把燃烧分阶段完成 通过调整燃烧工况 来达到低NOX生成量的一种炉内控制技术 低NOX燃烧技术的特点是工艺成熟 投资 和运行费用低 1 空气分级燃烧 它是目前应用较为广泛的低 NOX燃烧技术 其主要原理是将燃料的燃烧过程 分段进行 是将燃烧用风分为一 二次风 减少煤粉燃烧区域的空气量即一次风 量 提高燃烧区域的煤粉浓度 推迟一 二次风混合时间 这样煤粉进入炉膛时 就形成一个过量空气系数在 0 8 左右的富燃料区 使燃料在富燃料区进行欠氧燃 烧 使得燃烧速度和温度降低 从而降低 NOX的生成 欠氧燃料产生的烟气再与 二次风混合 使燃料完全燃烧 最终空气分级燃烧可使 NOX生成量降低 30 40 2 燃料分级燃烧 燃料分级燃烧又称为燃料再燃技术 是指在炉膛内 设置一次燃料欠氧燃烧 的 NOX还原区段以控制最终 NOX生成量的一种措施 在 NOX遇到烃根 CHi和未完全 燃烧产物 CO H2 C 和 CnHm时会发生 NOX的还原反应 利用这一原理 把炉膛高度 自下而上一次分为主燃区 再燃区和燃尽区 再燃区不仅使主燃区已生成的 NOX 得到还原 同时还抑制了新的 NOX的生成 进一步降低 NOX的生成量 再燃区上方 布置燃尽风 OFA 以形成燃尽区 以使再燃区出口的未完全燃烧产物燃烧 达到 最终完全燃烧的目的 3 烟气再循环 精品文档 8欢迎下载8欢迎下载8欢迎下载 也是常用的燃烧中降低 NOX排放量的方法之一 该技术是将锅炉尾部的 10 30 的低温烟气经烟气再循环风机回抽并混入助燃空气中 经燃烧器或直接 送入炉膛或与一次风 二次风混合后送入炉内 从而降低燃烧区域的温度 同时 降低燃烧区域氧的浓度 最终降低的 NOX生成量 并具有防止锅炉结渣的作用 4 低过量空气燃烧 使燃烧过程尽可能地在接近理论空气量的条件下进行 随着烟气中过量氧的 减少 可以抑制 NOX的生成 是一种简单的降低 NOX的方法 如果炉内氧的浓度过 低 低于 3 时 会造成 CO 的含量急剧增加 也会引起飞灰含碳量的增加 导致 机械未完全燃烧损失的增加 燃烧效率降低 因此 采用低过量空气燃烧来降低 NOX排放有一定限制 5 低NOX燃烧器 其特点是在燃烧器出口实现分级送风并与燃料合理配比 达到抑制 NOX生成 的目的 其设计用于控制燃烧器附近燃料与空气的混合及理论空气量 以阻止燃 料氮向 NOX转化和生成热力 NOX 同时又要保持较高的燃烧效率 主要是通过控制 燃烧器喉部燃料和空气的动量及流动方向来实现的 1 4 3 燃烧后控制 燃烧后控制是指在烟道尾部加装脱硝装置 将烟气中 NOX转变为无害的 N2或 有用的肥料 其脱氮方法可分为湿法脱硝和干法脱硝 5 由于烟气脱硝的 NOX脱 除率高 运行简单 探求技术上先进 经济上合理的烟气脱硝技术是我国控制氮 氧化物排放工作的重点 由于炉内低 NOX燃烧技术的局限性 使得 NOX的排放控制不能达到国家排放标 准 为了进一步降低 NOX的排放 必须对燃烧后的烟气进行脱硝处理 在对 NOX排 放要求非常严格的国家 如德国和日本 就是先采用采用低 NOX燃烧器减少一半 以上的 NOX后再进行烟气脱硝 降低脱硝装置入口的 NOX浓度 减少投资和运行费 用 1 湿法烟气脱硝技术 该技术是利用液体吸收剂将 NOX溶解的原理来净化燃煤烟气 1 稀硝酸吸收法 由于 NO 和 NO2在硝酸的溶解度比在水中的大得多 故采用稀硝酸吸收法以提 高 NOX去除率的技术得到广泛应用 随着硝酸浓度的增加 其吸收效率显著提高 精品文档 9欢迎下载9欢迎下载9欢迎下载 但考虑工业实际应用及成本等因素 实际操作中所用的硝酸浓度一般控制在 15 20 稀硝酸的吸收效率 除了与本身的浓度有关外 还与吸收温度和压力 有关 低温高压有利于 NOX的吸收 2 碱性溶液吸收法 该法是采用 NaOH KOH Na2CO3 NH3 H2O 等碱性溶液作为吸收剂对 NOX进行化 学吸收 其中氨的吸收率最高 吸收液经多次循环 碱液耗尽之后 将含有硝酸 盐和亚硝酸盐的溶液浓缩结晶 可做肥料使用 广泛用于常压法 全低压法硝酸 尾气处理 其优点是能将 NOX回收为有销路的亚硝酸盐或硝酸盐产品 有经济效 益 工艺流程和设备也较为简单 缺点是吸收不高 对烟气中的 NOX NO 的比例有 一定限制 湿法烟气脱硝具有吸收剂种类多 来源广泛 适应性强的优点 能以硝酸盐 等形式回收 NOX 达到综合利用的目的 但其实际应用系统较复杂 能耗高 并且 需要大量的液体吸收剂来洗涤锅炉烟气 同时吸收废气后的溶液难以处理 还容 易造成二次污染 因此该技术对于含 NOX浓度较高的 大烟气量的燃煤电站来说 不宜采用 2 干法烟气脱硝技术 与湿法烟气脱硝技术相比 干法烟气脱硝技术的主要优点有 基本投资低 设备及工艺过程简单 脱除 NOX的效率也较高 无废水和废弃物处理 不易造成 二次污染 目前有两类商业化的干法烟气脱硝技术 分别称为选择性催化还原 selective catalytic reduction SCR 和选择性非催化还原法 selective noncatalytic reduction SNCR 1 选择性催化还原法 SCR 由美国 Eegelhard 公司发明 于 1959 年申请专利 是利用 NH3和催化剂 在温度为 200 450 时将 NOX还原为 N2 SCR 法中催化剂的选取是关键 对催化剂的要求是活性高 寿命长 经济性 好和不产生二次污染 SCR 法是国际上应用最多 技术最成熟的一种烟气脱硝技术 SCR 法的优点有 使用了催化剂 反应温度较低 净化率高 可达 85 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 但也存在一些明显的缺点 烟气成分复 精品文档 10欢迎下载10欢迎下载10欢迎下载 杂 某些污染物可使催化剂中毒 高分散度的粉尘微粒可覆盖催化剂表面 使其 活性下降 系统中存在一些为反映的 NH3和烟气中的 SO2作用 生成易腐蚀和堵塞 设备的硫酸铵盐 同时还会降低氨的利用率 投资与运行费用较高 2 选择性非催化还原法 SCR 技术的催化剂费用通常占到 SCR 系统初始投资的 50 60 其运行成本 在很大程度上受催化剂寿命的影响 因此 SNCR 应运而生 其基本的原理是把含有 氨基的催化剂喷入炉膛温度为 800 1100 这一狭窄的温度范围 在没有催化剂 的情况下 该还原剂迅速热分解成氨并与烟气中的 NOX进行反应 使得 NOX还原成 N2和 H2O 基本上不与 O2发生作用 通常以尿素或氨基化合物作为还原剂将 NOX还原为 N2 因为需要较高的反应 温度 930 1090 还原剂通常注进炉膛或者紧靠炉膛出口的烟道 主要的化学 反应为 4NH3 6NO 5N2 6H2O 1 可能的竞争反应包括 4NH3 5O2 4NO 6H2O 2 4NH3 3O2 4N2 6H2O 3 还原剂尿素或氨基化合物必须注入最佳温度区 才能确保反应 1 占主导 如 果温度超过 1100 反应 2 3 将变得重要 如果温度低于所希望的区间 残留氨量将会增加 14 该法的优点是不需要催化剂 投资较 SCR 小 比较适合于环保要求不高的改 造机组 目前大部分锅炉都不采用此法 主要原因有 效率不高 反应剂和运载 介质 空气 的消耗量大 氨的泄露量大 生成的硫酸铵盐会腐蚀和堵塞下游的 空气预热器等设备 3 电子束治理技术 电子法的原理是利用电子加速其产生的高能电子束 直接照射待处理的气体 通过高能电子与气体中的氧分子及水分子碰撞 使之离解 电离 形成非平衡等 离子体 其中所产生的大量活性粒子 如 OH O2 和 HO2 等 与污染物进行反应 使之氧化去除 精品文档 11欢迎下载11欢迎下载11欢迎下载 许多国家已经建立了一批电子束试验设施和示范车间 日本 德国 美国和 波兰的示范车间运行结果表明 这种电子束系统去除 SO2的总效率超过 95 去除 NOX的效率达到 80 85 电子束照射法脱除 NOX的技术 是当今烟气系统脱硝的一项新技术 可以同 时处理大型燃煤电站的 SO2 NOX和飞灰 但电子束照射法仍有不少缺点 1 能 量利用率低 当电子能量降到 3eV 以下后 将失去分解和电离的功能 剩余的能 量将浪费掉 2 电子束法所采用的电子枪价格昂贵 电子枪及靶窗的寿命短 所需的设备及维修费用高 3 设备结构复杂 占地面积大 X 射线的屏蔽与防 护费用较大 上述原因限制了电子束法的实际应用和推广 4 生物法处理技术 生物法处理技术的实质是利用微生物的生命活动将 NOx 转化为无害的无机物 及微生物的细胞质 由于该过程难以在气相中进行 所以气态的污染物要先经过从气相转移到液 相或固相表面的液膜中的传质过程 可生物降解的可溶性污染物从气相进入滤塔 填料表面的生物膜中 并经扩散进入其中的微生物组织 然后 污染物作为微生 物代谢所需的营养物 在液相或固相被微生物降解净化 美国爱达荷国家工程实验室 Idao National Engineering Laboratry 的研 发人员最早发明了用脱硝菌还原烟气中的 NOX的工艺 当烟气在塔中的停留时间 约为 1min NO 进口浓度为 335mg m3时 NO 的去除率可达到 99 塔中细菌的最 适温度为 30 40 pH 值为 6 5 8 5 虽然微生物处理烟气中 NOX成本低 设备投入少 但要实现工业应用还有许 多的问题需要克服 1 微生物的生长速度相对较慢 要处理大流量的烟气 还 需要对菌种作进一步的筛选 2 微生物的生长需要适宜的环境 如何在工业应 用中营造合适的培养条件将是必须克服的一个难题 3 微生物的生长 会造成 塔内填料的堵塞 对于工艺上要求连续安全稳定运行 并有大容量的燃煤电站锅炉烟气脱除 NOx 的系统来说 用生物法处理电站烟气中的 NOx 目前还处于试验阶段 存在着 明显的缺陷 例如吸收塔的空塔气速 烟气温度 反硝化细菌的培养 细菌的生 精品文档 12欢迎下载12欢迎下载12欢迎下载 长速度和吸收塔的堵塞等问题都有待解决 此技术要运用到实际工程中 还需要 进一步的研究和发展 工业运行的数据表明 SNCR 工艺的 NO 还原率较低 通常在 30 60 的范围 而 SCR 工艺对 NOX的转化率为 60 90 SCR 技术对锅炉烟气 NOX控制效果十分显 著 占地面积小 技术成熟 易于操作 目前已成为世界上应用最多 最为成熟 且最有成效的一种烟气脱硝技术 1 5 SCR脱硝工艺 1 5 1 SCR 基本原理 选择性催化还原 SCR 脱硝原理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 NOX还原为无毒无污染的 N2和 H2O 催化的作用是降低分解反 应的活化能 使其反应温度降低至 150 450 之间 12 因为电厂实际使用的温度 范围是 290 430 若无催化剂 反应温度较高 980 左右 超出了电厂温 度范围 还原剂有氨水 液氨及尿素 工业上常应用的是液氨 其次是尿素 以 氨为还原剂的 SCR 反应如下 主反应方程式 4NO 4NH3 O2 4N2 6H2O 4 NO 2NO2 2NH3 2N2 3H2O 5 6NO 4NH3 5N2 6H2O 6 6NO2 8NH3 2N2 6H2O 7 副反应方程式 4NH3 3O2 2N2 6H2O 8 2NH3 N2 3H2 9 4NH3 3O2 4NO 6H2O 10 2SO2 O2 2SO3 11 NH3 SO3 H2O NH3HSO4 12 2NH3 SO3 H2O NH4 SO4 13 反应 4 为主要反应 因为烟气中的几乎 95 的 NOX均是以 NO 的形式存在 在反应过程中 NH3可以选择性地和 NOX反应生成 N2和 H2O 而不是被 O2所氧化 其基本原理如图 1 1 所示 精品文档 13欢迎下载13欢迎下载13欢迎下载 图1 1 SCR基本反应原理 1 5 2 典型 SCR 系统组成 烟气脱硝系统由还原剂的制备系统和脱硝反应系统两部分组成 见图1 2 脱 硝反应系统有SCR催化反应器 喷氨系统 稀释空气供应系统所组成 液氨存储和 供应系统有液氨卸料压缩机 液氨储槽 液氨蒸发槽 氨气缓冲槽 氨气稀释槽 废水泵和废水池等 图1 2 SCR脱硝系统组成 精品文档 14欢迎下载14欢迎下载14欢迎下载 1 5 3 SCR 工艺流程 典型的 SCR 主要工艺流程为 还原剂即液氨用灌装卡车运输 以液体形态储 存于氨罐中 液态氨在注入 SCR 系统烟气之前经由蒸发器蒸发汽化 汽化的氨和 稀释空气混合 通过喷氨格栅喷入 SCR 反应器上游的烟气中 充分混合后的还原 剂和烟气在 SCR 反应器中催化剂的作用下发生反应 以达到去除 NOX的目的 SCR 的基本操作运行主要包含以下几个步骤 1 氨的准备与储存 2 氨的蒸发并与预混空气相混合 3 氨与空气的混合气体在反应器的适当位置喷入烟气系统中 其位置通常 在反应器入口附近的烟气管路内 4 喷入的混合气体与烟气的混合 5 各反应物向催化剂表面的扩散并进行反应 1 5 4 SCR 工艺系统布置分类 根据 SCR 反应器工作环境 如温度 粉尘浓度的不同 主要有高尘 低尘和 尾部布置方式 5 1 高温高尘布置 该布置方式中 SCR 反应器在省煤器的下游 空气预热器和除尘装置的上游 烟气温度约为 350 的位置 SCR 高温高尘布置工艺系统见图 1 3 所示 图1 3 高温高尘布置 精品文档 15欢迎下载15欢迎下载15欢迎下载 这种布置的优点是进入反应器的烟气温度达到 280 420 多数催化剂在 这个温度范围内有足够的活性 缺点是催化剂在未经除尘的烟气中 寿命会受以 下因素影响 1 飞灰含有 Na K Ca Si As 等 使催化剂中毒 受污染 2 催化 剂受飞灰磨损 3 飞灰是催化剂通道堵塞 4 烟气温度降低 NH3和 SO3反 应生成 NH3 SO4 使反应器通道和下游的空气预热器堵塞 为了尽可能延长催化剂的使用寿命 除了应选择合适的催化剂外 还要使反 应器通道有足够的空间以防堵塞 同时要有防腐和防磨的措施 2 高温低尘布置 当静电除尘器布置在空气预热器的上游时 通常使用低尘 SCR 系统 如图 1 4 所示 低尘 SCR 系统较高尘 SCR 系统具有更低的成本 图1 4 高温低沉布置 高温低尘布置的优点 1 烟气经静电除尘器后 粉尘浓度降低 可延长催 化剂的寿命 2 独立存在 不影响锅炉的正常运行 3 氨泄漏量与高温高 尘布置方式的相比要少 精品文档 16欢迎下载16欢迎下载16欢迎下载 缺点 1 烟气通过静电除尘器后 温度会下降 2 烟气含大量的 SO2 催化剂使部分 SO2转化为 SO3 与泄漏的氨生成具很强腐蚀性的硫酸铵盐 3 国内运用经验很少 可供参考的工程实例也少 3 低温低尘布置 这种布置方式通常将 SCR 反应器布置在所有的气体排放控制设备之后 此时 的烟气经前面的气体控制设备 已经除去了绝大多数对催化剂有害的成分 SCR 低温低尘布置工艺系统如图 1 5 所示 低温低尘布置的优点 1 烟气经过了除尘脱硫 可采用更大的流速 使催 化剂消耗量减少 2 氨逃逸量与其它布置方式相比是最少的 3 不会产生 SO3 防止二次污染 缺点 1 烟气经除尘脱硫后 温度降低 低于氨还原 NOX反应所需的温度 需要重新加热 增加投资和运行成本 2 很难找到符合反应条件的催化剂 图1 5 低温低尘布置 综上所述 由于高温高尘工艺布置是目前应用最为广泛的一种 在 SCR 市场 中 其占有绝对的优势 国内的脱硝系统几乎采用这种布置方式 以下的设计中 采用高温高尘布置方式 精品文档 17欢迎下载17欢迎下载17欢迎下载 1 6 催化剂 选择优良的催化剂是SCR技术的关键 催化剂有贵金属和普通金属 贵金属易 与硫氧化物反应 又昂贵 工程中不建议采用 常用的金属基催化剂含有氧化矾 V2O5 氧化钛 TiO2 等 其中V2O5的活性好 表面呈酸性 容易将碱性的NH3捕 捉到催化剂表面 其特定的氧化优势有利于将氨和NOX转化为氨水和水 并且工作 温度较低 350 450 能在富氧环境下工作 抗中毒能力较强 可负载于 Al2O3 SiO2等氧化物中 电厂所用的V2O5催化剂大都是负载在锐钛矿晶型TiO2上的 钒氧化物 辅以钨与钼为助催化剂 一般做成蜂窝形状或敷于陶瓷介质上 12 以下对催化剂的种类进行介绍 按温度分类 可分为三类 高温催化剂 345 590 中温催化剂 260 380 低温催化剂 80 300 目前 国内外SCR系统大多采用高温催化剂 反应温度在280 420 之间 按原材料分类 有三种类型 贵金属型 金属氧化物型和离子交换的沸石分 子筛型 5 第一类催化剂主要Pt Rh和Pd贵金属类催化剂 通常以氧化铝等整体式陶瓷作 为载体 早期设计的SCR系统中多采用此类催化剂 其对SCR反应有较高的活性 且反应温度较低 缺点是是对NH3有一定的氧化作用 目前仅应用于低温条件下以 及天然气燃烧后NOX的脱除 第二类的金属氧化物类催化剂 广泛应用的SCR催化剂大多是以二氧化钛为载 体 以V2O5或V2O5 WO3 V2O5 MoO3为活性成分 其次是氧化铁基催化剂 以Fe2O3 为基础 添加CrOx Al2O3 ZrO2 SiO2及微量的MnOx CaO等组成 这种催化剂活 性较氧化钛基催化剂要低40 通常催化剂载体主要作用是提供具有大的比表面积 的微孔结构 在SCR反应中所具有的活性极小 当采用第二类催化剂时 通常以氨或尿素作为还原剂 反应机理通常是氨吸 附在催化剂的表面 而NO的吸附作用很小 在这一类催化剂中 以具有锐钛矿结 构的TiO2为载体 锐钛矿作为主要活性成分的催化剂在工程中应用最为广泛 其 技术发展也最为成熟 其活性唯独区间为300 400 在这类催化剂中通常还加 入WO3和MoO3 其主要作用是增加催化剂的活性和热稳定性 防止锐钛矿的烧结和 比表面积丧失 另外WO3和MoO3的加入能和SO3竞争TiO2表面的碱性位 并代替它 精品文档 18欢迎下载18欢迎下载18欢迎下载 从而限制其硫酸盐化 在催化剂的制备过程中还加入玻璃丝 玻璃粉 硅胶等以 增加强度 减少开裂 并加聚乙烯 淀粉 石蜡等有机化合物作为成型黏结剂 第三类是沸石分子筛型 主要是采用离子交换方法制成的金属离子交换沸石 通常采用碳氢化合物作为还原剂 所采用的沸石类型主要包括Y 沸石 ZSM系列 MFI MOR等 特别是Cu ZSM 5 国外学者对其研究较多 这一类催化剂的特点是 具有活性的温度区间较高 最高可达到600 同时 这类催化剂也是目前国外学 者研究的中点 但是工业应用方面还不多 目前用于SCR中的催化剂主要有3种类型 蜂窝式 板式及其它形式 蜂窝式催化剂采用二氧化钛作骨架材料 将V2O5和TiO2混合后挤压成型 经干 燥 烧结后裁切装配而成 市场份额约60 70 10 主要供应商 美国的 Cormetech 欧洲的Argrillon KWH 日本的Sakai shokubai 韩国的SK等 蜂 窝式催化剂具有模块化 相对质量比较轻长度易于控制 比表面积大 回收利用 率高等优点 蜂窝式催化剂如图1 6所示 图1 6 蜂窝式催化剂 板式催化剂采用金属板作为基材 浸渍催化剂后烧结成型 市场份额占 20 30 其它如波纹式催化剂采用玻璃纤维板或陶瓷板作为基材 浸渍催化剂 后烧结成型 市场份额占5 左右 10 主要供应商有德国的Argillon和日本的BHK 等 具有对烟气高的高尘环境适应力强的优点 但比表面积小 相对压降大 波纹状催化剂的制作是采用玻璃纤维板或陶瓷板作为基材浸渍烧结成型 主 要供应商有丹麦的Haldor Topsoe和日本的Hitachi Zosen 板式 波纹式催化剂 如图1 7所示 精品文档 19欢迎下载19欢迎下载19欢迎下载 图 1 7 左为板式催化剂 右为波纹式催化剂 通过比较板式和蜂窝式催化剂的性能 见表1 2 发现蜂窝式催化剂测定性 能高于板式催化剂 表1 2 板式与蜂窝式催化剂比较 项目板式蜂窝式 抗堵塞性能 抗粉尘冲刷性能 压力损失 脱硝效率 比表面积 吹灰器频率 抗热冲击 SO2转化率 注 代表星级 精品文档 20欢迎下载20欢迎下载20欢迎下载 1 7 还原剂原料 1 7 1 液氨 常温下 无水氨 又称液氨 是无色气体 有刺激性恶臭 通常以加压液化 气的方式储存 液氨的合格品含量不低于99 6 转化为气态时会膨胀850倍 由 于氨是B2类 高毒性 燃烧性 物质 氨气在其与空气混合物中的浓度为 15 28 遇到明火会燃烧和爆炸 泄漏时 会对人身安全造成相当程度的危害 因此 在交通运输及SCR系统现场使用过程中 都需要采取相应的安全措施 1 7 2 氨水 用于燃煤电站SCR烟气脱硝的还原剂 氨水 采用的浓度为20 30 之间 相 对比较安全 但由于运输的体积较大 运输的成本相对较高 氨水呈弱碱性和强 防腐性 对人体有害 在空气中达到一定的浓度时 也有爆炸的危险 1 7 3 尿素 与无水氨和氨水相比 尿素是无毒 无害的化学品 为白色或浅黄色的结晶 体 吸湿性较强 易溶于水 由于尿素需要水解或热解才能得到氨蒸气 在转化为氨气的同时伴随着 H2O CO2等副产物的产生 为防止工艺过程中水蒸气的凝结和高防腐性的氨基甲酸 铵的形成 相关的设备和管道都需要采用不锈钢材质 同时还需设置伴热措施 5 因此 其工艺系统相对比较复杂 设备和运行费用都较高 此外 国内尚无商业 化尿素分解制氨技术 全套需要进口 综上所述 通过表1 3所列数据比较发现 在以上三种的还原剂原料中 液氨 法的投资 运输和使用成本为三者最低 但此法在运输和使用过程中需要严格执 行相关的安全规定 具有一定的危险性和安全隐患 氨水的质量百分比一般为 20 30 较液氨安全 但运输体积大 运输成本较液氨高 尿素是一种颗粒状的 农业肥料 安全无害 但其具有治安系统复杂 设备占地大 初投资大等问题 表1 3 三种SCR还原剂的技术比较 精品文档 21欢迎下载21欢迎下载21欢迎下载 1 8 SCR反应器 SCR反应器是还原剂和烟气中的NOX发生催化还原反应的场所 通常由带有加 固肋的碳钢制塔体 烟气进出口 催化剂放置层 人孔门 导流叶片及必要的连 接件等组成 图 1 8 SCR系统流程图 项目液氨氨水尿素 反应剂费用便宜较贵最贵 生成1kg氨气 需要的原料量 1 01kg 99 氨 4kg 25 氨 1 76kg 运输费用便宜贵便宜 安全性有毒有害无害 存储条件高压常压常压 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 便宜贵贵 运行费用 需要热量蒸发液氨 需要高热量蒸发 蒸馏 水和氨 需要高热量水解尿素和蒸 发氨 设备安全要求有法律规定需要基本不需要 精品文档 22欢迎下载22欢迎下载22欢迎下载 反应器是烟气脱硝最核心的设备 催化剂以单元模块形式叠放在若干层托架 上 布置在反应器之中 9 目前催化剂的各层托架以及反应器壳体都连为一个整 体 层间距固定 采用下部支承方式 各层催化剂的质量最后全部向下落在反应 器外的框架梁上 如图1 8所示 在SCR反应器壳体的设计中 要考虑良好的NOX NH3混合和速度 的均布 以保证脱硝效率 反应器壳体通常采用标准的板箱式结构 辅以各种加强 筋和支撑构件来满足防震 承载催化剂 密封 承受荷载和抵抗应力的要求 并 且实现与外界的隔热 2 为了克服常规反应器结构带来的热应力大 催化剂安装更换困难 清灰效果 不好的问题 开发了一种悬吊式的SCR反应器 反应器由相互独立的反应器壳体和 固定在立柱上的顶部横梁两部分所组成 反应器壳体内部设有若干层催化剂托架 并分别与若干对螺纹吊杆的下端相接 螺纹吊杆的上端穿出反应器壳体悬吊在反 应器顶部的上梁上 各层催化剂托架的位置可以上下调节 顶部的横梁分上下两 层 上层为上梁 竖向