SCR脫硝技術(shù)
SCR裝置運行原理如下:
氨氣作為脫硝劑被噴入高溫煙氣脫硝裝置中,在催化劑的作用下將煙氣中NOx 分解成為N2和H2O,其反應公式如下:
催化劑
4NO + 4NH3 +O2 →4N2 + 6H2O
催化劑
NO +NO2 + 2NH3 →2N2 + 3H2O
一般通過使用適當?shù)拇呋瘎?上述反應可以在200 ℃～450 ℃的溫度范圍內(nèi)有效進行, 在NH3 /NO = 1的情況下,可以達到80～90%的脫硝效率。
煙氣中的NOx 濃度通常是低的,但是煙氣的體積相對很大,因此用在SCR裝置的催化劑一定 是高性能。因此用在這種條件下的催化劑一定滿足燃煤鍋爐高可靠性運行的要求。
煙氣脫硝技術(shù)特點
SCR 脫硝技術(shù)以其脫除效率高,適應當前環(huán)保要求而得到電力行業(yè)高度重視和廣泛的應用。 在環(huán)保要求嚴格的發(fā)達國家例如德國,日本,美國,加拿大,荷蘭,奧地利,瑞典,丹麥等國SCR脫硝技術(shù)已經(jīng)是應用zui多、zui成熟的技術(shù)之一。根據(jù)發(fā)達國家的 經(jīng)驗, SCR脫硝技術(shù)必然會成為我國火力電站燃煤鍋爐主要的脫硝技術(shù)并得到越來越廣泛的應用。圖1為SCR煙氣脫硝系統(tǒng)典型工藝流程簡圖。
SCR脫硝系統(tǒng)一般組成
圖1為SCR煙氣脫硝系統(tǒng)典型工藝流程簡圖, SCR系統(tǒng)一般由氨的儲存系統(tǒng)、氨與空氣混合系統(tǒng)、氨氣噴入系統(tǒng)、反應器系統(tǒng)、省煤器旁路、SCR旁路、檢測控制系統(tǒng)等組成。
液 氨從液氨槽車由卸料壓縮機送人液氨儲槽,再經(jīng)過蒸發(fā)槽蒸發(fā)為氨氣后通過氨緩沖槽和輸送管道進人鍋爐區(qū),通過與空氣均勻混合后由分布導閥進入SCR反應器內(nèi) 部反應, SCR反應器設置于空氣預熱器前,氨氣在SCR 反應器的上方,通過一種特殊的噴霧裝置和煙氣均勻分布混合,混合后煙氣通過反應器內(nèi)催化劑層進行還原反應。
SCR系統(tǒng)設計技術(shù)參數(shù)主要有反應器入口NOx 濃度、反應溫度、反應器內(nèi)空間速度或還原劑的停留時間、NH3 /NOx 摩爾比、NH3 的逃逸量、SCR系統(tǒng)的脫硝效率等。
氨儲存、混合系統(tǒng)
每 個SCR反應器的氨儲存系統(tǒng)由一個氨儲存罐,一個氨氣/空氣混合器,兩臺用于氨稀釋的 空氣壓縮機(一臺備用)和閥門,氨蒸發(fā)器等組成。氨儲存罐可以容納15天使用的無水氨,可充 至85%的儲罐體積,裝有液面儀和溫度顯示儀。液氨汽化采用電加熱的方式,同時保證氨氣/空氣混合器內(nèi)的壓力為350 kPa。NH3 和煙氣混合的均勻性和分散性是維持低NH3 逃逸水平的關(guān)鍵。為了保證煙氣和氨氣在煙道分散好、混合均勻,可以通過下面方式保證混合:在反應器前安裝靜態(tài)混合器;增加NH3 噴入的能量;增加噴點的數(shù)量和區(qū)域;改進噴射的分散性和方向;在NH3 噴入后的煙道中設置導流板;同時還應根據(jù)冷態(tài)流動模型試驗結(jié)果和數(shù)學流動模型計算結(jié)果對噴氨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。
噴氨系統(tǒng)
噴氨系統(tǒng)根據(jù)鍋爐負荷、反應器入口NOx 濃度、反應器出口NOx濃度測量的反饋信號,控制 氨的噴入量。
反應器系統(tǒng)
SCR 反應器采用固定床形式,催化劑為模塊放置。反應器內(nèi)的催化劑層數(shù)取決于所需的催化劑反應表面積。典型的布置方式是布置二至三層催化劑層。在zui上一層催化劑 層的上面,是一層無催化劑的整流層,其作用是保證煙氣進入催化劑層時分布均勻。通常,在第三層催化劑下面還有一層備用空間,以便在催化劑活性降低時加入第 四層催化劑層。在反應器催化劑層間設置吹灰裝置,定時吹灰,吹掃時間30～120分鐘,每周1～2次。如有必要,還應進行反應器內(nèi)部的定期清理。反應器下 設有灰斗,與電廠排灰系統(tǒng)相連,定時排灰。
省煤器和反應器旁路系統(tǒng)
在省煤器前和反應器之間設 置旁路,稱之為省煤器旁路。當鍋爐負荷降低,煙氣流量減少,進入反應器的煙氣溫度低于要求值時,旁路開通,向反應器導入高溫煙氣,提高反應器內(nèi)的溫度。此 外,在反應器入口和出口間裝有一個大的旁路,稱之為反應器旁路。反應器旁路的作用是:鍋爐負荷降低時使用。例如開機和停機時使用,低負荷時使用和季節(jié)性使 用。以防止低溫造成催化劑中毒及催化劑污染。所有SCR系統(tǒng)旁路的插板門均要保證零泄露。
催化劑
催化劑是電廠SCR工藝的核心,它約占其投資的l/3。為了使電站安全、經(jīng)濟運行,對SCR工 藝使用的催化劑應達到下列要求:
———低溫度時在較寬溫度范圍具有較高的活性
———高選擇性( SO2 向SO3 轉(zhuǎn)換率和其他方面作用低即副反應少)
———對二氧化硫( SO2 ) 、鹵族酸(HCl, HF)和堿金屬(Na2O、K2O)和重金屬(如As)具有化學 穩(wěn)定性
———克服強烈溫度波動的穩(wěn)定性
———對于煙道壓力損失小
———壽命長、成本低理想的催化劑應具有以下優(yōu)點: 1. 高活性; 2.抗中毒能力強; 3. 好的機械強度和耐磨損性; 4. 有合適的工作溫度區(qū)間。
SCR測量控制系統(tǒng)
反應溫度控制
在一定溫度范圍內(nèi),隨反應溫度提高,NOx 脫除率急劇增加,脫硝率達到zui大值時,溫度繼續(xù)升高會使NH3氧化而使脫硝率下降; 反應溫度過低,煙氣脫硝反應不充分,易產(chǎn)生NH3 的逃逸。
因此要對SCR系統(tǒng)入口煙氣溫度進行監(jiān)測并通過調(diào)節(jié)省煤器旁路開度控制SCR 系統(tǒng)入口煙氣溫度
氨量控制
在NH3 /NOx 摩爾比小于1 時,隨NH3 /NOx摩爾比增加,脫硝效率提高明顯; NH3 投入量超過
需要量, NH3 會造成二次污染, 一般控制NH3 /NOx 摩爾比在1. 0左右。NH3的流量控制閥調(diào)節(jié)
控制NH3 的流量,控制系統(tǒng)根據(jù)反應器入口NOx的濃度、煙氣流量、反應器出口所要求NOx 的排放濃度和氨的逃逸濃度計算出氨的供給流量。為保證人身和設備安全,發(fā)生下列情況,氨氣
閥門自動關(guān)閉:低的煙氣流量;高的氨氣/空氣比;催化劑入口煙氣溫度過高;催化劑入口煙氣溫度過低;沒有來自鍋爐的運行允許信號;啟動急停開關(guān)。
氨稀釋空氣流量控制
氨稀釋用空氣流量在SCR 系統(tǒng)運行時被設定好,不再調(diào)整。兩臺空氣壓縮機,一臺備用。當?shù)?臺空氣壓縮機輸出氣體壓力低于設定值或發(fā)生故障時,第2臺空氣壓縮機自動啟動
氨氣蒸發(fā)器
氨氣蒸發(fā)器與儲罐為一體化結(jié)構(gòu),加熱器放置在無水氨的液體中,通過氨儲罐內(nèi)的壓力控制加熱器。當儲罐內(nèi)的壓力低于設定壓力時,加熱器通電加熱液氨;加熱器過熱則斷電保護。
SNCR脫硝技術(shù)
SNCR脫硝技術(shù)是將NH3、尿素等還原劑噴入鍋爐爐內(nèi)與NOx進行選擇性反應，不用催化劑，因此必須在高溫區(qū)加入還原劑。還原劑噴入爐膛溫度為850～1100℃的區(qū)域，迅速熱分解成NH3，與煙氣中的NOx反應生成N2和水，該技術(shù)以爐膛為反應器。
SNCR煙氣脫硝技術(shù)的脫硝效率一般為30%～80%，受鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸影響很大。采用SNCR技術(shù)，目前的趨勢是用尿素代替氨作為還原劑。
1、技術(shù)原理
在850～1100℃范圍內(nèi)，NH3或尿素還原NOx的主要反應為：
NH3為還原劑
4 NH3 + 4NO +O2 → 4N2 + 6H2O
尿素為還原劑
NO+CO(NH2)2 +1/2O2 → 2N2 + CO2 + H2O
2、系統(tǒng)組成
SNCR系統(tǒng)煙氣脫硝過程是由下面四個基本過程完成：
接收和儲存還原劑；在鍋爐合適位置注入稀釋后的還原劑；
還原劑的計量輸出、與水混合稀釋；還原劑與煙氣混合進行脫硝反應。
3、技術(shù)特點
技術(shù)成熟可靠，還原劑有效利用率高系統(tǒng)運行穩(wěn)定 設備模塊化，占地小，無副產(chǎn)品，無二次污染
煙氣脫硝系統(tǒng)構(gòu)成
4、脫硝系統(tǒng)基本流程和添加劑效果
基于純氨、氨水和尿素的溶液（比如satamin和carbamin二次添加劑）目前在很大程度上比較流行。
通過選擇性非催化還原法，氨基在800℃-1050℃時NO生成氮氣和水蒸氣：
NH2+NO <=> H2O+N2
當使用含氨化合物的水溶液時，化合物分解就會釋放出氨氣。換言之，只有在霧化流體蒸發(fā)后氨氣才可以從含氨化合物中揮發(fā)出來。
自由基之間的反應選擇性并不是很強。因此充足的脫除添加劑還是必要的。圖1顯示了煙氣溫度950℃時化學配比因子NSR與NOx脫除量的關(guān)系。
5、流程設計和裝置描述
燃料添加劑貯存加料裝置
Satamin添加劑是一種產(chǎn)品。根據(jù)鍋爐大小和每年的燃料消耗量，Satamin添加劑一般以每桶200，500和1000公升桶裝形式供給。
對于大型裝置，一般設置一個較大的儲罐和加料控制器，
Satamin 和Carbamin是低氨水溶液。因而，在貯料箱的充料過程中，或萬一貯料箱遭到破壞，在儲存位置附近將不會有有氣體逸出。儲罐中放置一個夾層箱或貯存 箱足夠使用。如果設備放在室外，貯料箱要考慮伴熱或保溫，放液區(qū)要作防水處理。在充料過程中必須關(guān)閉雨水排水閥。罐車利用壓縮氣來卸液。當往NOx脫除車 間輸送脫除添加劑時，需要使用磁耦合泵和潛液泵。
6、混合和分配系統(tǒng)
還原劑用水稀釋?？梢允褂米詠硭蚓畞硐♂孲atamin和Carbamin還原劑。
如果燃料中沒有加入防止高低溫腐蝕的添加劑，可以通過混合和分配系統(tǒng)加入
注入系統(tǒng)
稀釋后還原劑的加料系統(tǒng)依賴于燃燒室的幾何尺寸。帶有單相噴嘴的水冷噴槍在鍋爐的應用中非常成功。雙相噴嘴使用壓縮空氣的噴槍適合于層燃鍋爐。
7、二次排放
燃燒富硫燃料（>0.5%的S），溫度小于350℃時，煙氣中高的NH3濃度能夠形成硫酸氨。和硫酸氫氨不一樣，硫酸氨是一種無污染的副產(chǎn)物。在溫度小于160℃時，硫酸氫氨的形成與煙氣中SO3量和NH3量有關(guān)。硫酸氫氨容易導致
換熱器表面結(jié)垢腐蝕。但是，通過使用配制合理的脫除添加劑（Satamin和Carbamin產(chǎn)品），就可以避免硫酸氫氨的形成。
改進后的SNCR裝置氨排放允許值依賴于鍋爐大小，為5—30mg/m3。
NOx脫除裝置的設計是根據(jù)使用添加劑satamin和carbamin，該系統(tǒng)不影響鍋爐效率。反應熱量與稀釋水蒸發(fā)熱量相當。
SNCR和SCR的區(qū)別
SNCR 的反應劑采用爐膛內(nèi)噴射，不需特殊預留空間。SNCR 不采用催化劑系統(tǒng)不存在壓力損失且不會對下游設備造成影響。
SNCR 和SCR 是目前煙氣脫硝的常用技術(shù)，SNCR和SCR相比具有以下特點。
*，SNCR 和SCR zui大的不同在于脫硝過程中不使用催化劑，且不導致SO2 /SO3氧化，故造成空預器堵塞的機會非常小。
第二，整個過程沒有壓力損失，因此不需提高引風機壓頭，特別是改造機組不需對引風機進行改造，既節(jié)省了投資又縮短了建設工期。
第三，SNCR 所需設備占地面積小，且相對于SCR設備簡單，施工量減少，縮短了工程實施時間，對于改造機組而言，在場地限制較大的情況下更便于工程實施。
第 四，SNCR 工藝整個還原過程在鍋爐內(nèi)部進行，不需要另外設立反應器。還原劑通過安裝在鍋爐墻壁上的噴嘴噴入煙氣中。噴嘴布置在燃燒室和省煤器之間的過熱器區(qū)域，鍋爐 的熱量為反應提供了能量，使NOX在這里被還原。反應器、反應器支撐鋼結(jié)構(gòu)及其附屬煙道的取消，降低了較大一部分投資，減少了大部分安裝工作，而且更便于 日后的檢修、維護工作。
下面對兩種脫硝技術(shù)進行簡單對比。
1.脫硝效率、工程造價和運行費用
低 碳燃燒技術(shù)的脫硝效率約在25% ～40%，工程造價較低，運行費用較低; SNCR 技術(shù)的脫硝效率約在25% ～40%，工程造價低，運行費用中等; LNB +SNCR 技術(shù)脫硝效率約在40% ～70%，工程造價中等，運行費用中等; SCR 技術(shù)脫硝效率在80% ～90%，工程造價較高，運行費用中等。
2.對系統(tǒng)的影響
SCR 和SNCR 技術(shù)均可使用NH3或尿素作為還原劑，SCR 反應溫度在320℃ ～400℃，SNCR 反應溫度在850℃ ～1250℃。SCR 的噴射位置多選在省煤器與SCR反應器間煙道內(nèi)，因其使用催化劑故易造成SO2 /SO3氧化，易生成NH4HSO4對下游的空預器造成堵塞，并且因為催化劑的存在使系統(tǒng)的壓力損失增大。因催化劑的存在必須預留足夠的空間架設支撐結(jié) 構(gòu)。SNCR 的反應劑采用爐膛內(nèi)噴射，不需特殊預留空間。SNCR 不采用催化劑系統(tǒng)不存在壓力損失且不會對下游設備造成影響。
