SCR脫硝技術(shù)
SCR裝置運(yùn)行原理如下:
氨氣作為脫硝劑被噴入高溫?zé)煔饷撓跹b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(yīng)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(dāng)?shù)拇呋瘎?上述反應(yīng)可以在200 ℃～450 ℃的溫度范圍內(nèi)有效進(jìn)行, 在NH3 /NO = 1的情況下,可以達(dá)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(yùn)行的要求。
煙氣脫硝技術(shù)特點(diǎn)
SCR 脫硝技術(shù)以其脫除效率高,適應(yīng)當(dāng)前環(huán)保要求而得到電力行業(yè)高度重視和廣泛的應(yīng)用。 在環(huán)保要求嚴(yán)格的發(fā)達(dá)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(yīng)用zui多、zui成熟的技術(shù)之一。根據(jù)發(fā)達(dá)國家的 經(jīng)驗(yàn), SCR脫硝技術(shù)必然會(huì)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(yīng)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(chǔ)存系統(tǒng)、氨與空氣混合系統(tǒng)、氨氣噴入系統(tǒng)、反應(yīng)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(jī)送人液氨儲(chǔ)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(jìn)人鍋爐區(qū),通過與空氣均勻混合后由分布導(dǎo)閥進(jìn)入SCR反應(yīng)器內(nèi) 部反應(yīng), SCR反應(yīng)器設(shè)置于空氣預(yù)熱器前,氨氣在SCR 反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)催化劑層進(jìn)行還原反應(yīng)。
SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)主要有反應(yīng)器入口NOx 濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)器內(nèi)空間速度或還原劑的停留時(shí)間、NH3 /NOx 摩爾比、NH3 的逃逸量、SCR系統(tǒng)的脫硝效率等。
氨儲(chǔ)存、混合系統(tǒng)
每 個(gè)SCR反應(yīng)器的氨儲(chǔ)存系統(tǒng)由一個(gè)氨儲(chǔ)存罐,一個(gè)氨氣/空氣混合器,兩臺(tái)用于氨稀釋的 空氣壓縮機(jī)(一臺(tái)備用)和閥門,氨蒸發(fā)器等組成。氨儲(chǔ)存罐可以容納15天使用的無水氨,可充 至85%的儲(chǔ)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(shí)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(yīng)器前安裝靜態(tài)混合器;增加NH3 噴入的能量;增加噴點(diǎn)的數(shù)量和區(qū)域;改進(jìn)噴射的分散性和方向;在NH3 噴入后的煙道中設(shè)置導(dǎo)流板;同時(shí)還應(yīng)根據(jù)冷態(tài)流動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)學(xué)流動(dòng)模型計(jì)算結(jié)果對噴氨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
噴氨系統(tǒng)
噴氨系統(tǒng)根據(jù)鍋爐負(fù)荷、反應(yīng)器入口NOx 濃度、反應(yīng)器出口NOx濃度測量的反饋信號(hào),控制 氨的噴入量。
反應(yīng)器系統(tǒng)
SCR 反應(yīng)器采用固定床形式,催化劑為模塊放置。反應(yīng)器內(nèi)的催化劑層數(shù)取決于所需的催化劑反應(yīng)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(jìn)入催化劑層時(shí)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(shí)加入第 四層催化劑層。在反應(yīng)器催化劑層間設(shè)置吹灰裝置,定時(shí)吹灰,吹掃時(shí)間30～120分鐘,每周1～2次。如有必要,還應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)器內(nèi)部的定期清理。反應(yīng)器下 設(shè)有灰斗,與電廠排灰系統(tǒng)相連,定時(shí)排灰。
省煤器和反應(yīng)器旁路系統(tǒng)
在省煤器前和反應(yīng)器之間設(shè) 置旁路,稱之為省煤器旁路。當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低,煙氣流量減少,進(jìn)入反應(yīng)器的煙氣溫度低于要求值時(shí),旁路開通,向反應(yīng)器導(dǎo)入高溫?zé)煔?提高反應(yīng)器內(nèi)的溫度。此 外,在反應(yīng)器入口和出口間裝有一個(gè)大的旁路,稱之為反應(yīng)器旁路。反應(yīng)器旁路的作用是:鍋爐負(fù)荷降低時(shí)使用。例如開機(jī)和停機(jī)時(shí)使用,低負(fù)荷時(shí)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(jì)運(yùn)行,對SCR工 藝使用的催化劑應(yīng)達(dá)到下列要求:
———低溫度時(shí)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(yīng)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(xué) 穩(wěn)定性
———克服強(qiáng)烈溫度波動(dòng)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(yīng)具有以下優(yōu)點(diǎn): 1. 高活性; 2.抗中毒能力強(qiáng); 3. 好的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)溫度控制
在一定溫度范圍內(nèi),隨反應(yīng)溫度提高,NOx 脫除率急劇增加,脫硝率達(dá)到zui大值時(shí),溫度繼續(xù)升高會(huì)使NH3氧化而使脫硝率下降; 反應(yīng)溫度過低,煙氣脫硝反應(yīng)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(jìn)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(shí),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(huì)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(yīng)器入口NOx的濃度、煙氣流量、反應(yīng)器出口所要求NOx 的排放濃度和氨的逃逸濃度計(jì)算出氨的供給流量。為保證人身和設(shè)備安全,發(fā)生下列情況,氨氣
閥門自動(dòng)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(yùn)行允許信號(hào);啟動(dòng)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(yùn)行時(shí)被設(shè)定好,不再調(diào)整。兩臺(tái)空氣壓縮機(jī),一臺(tái)備用。當(dāng)?shù)?臺(tái)空氣壓縮機(jī)輸出氣體壓力低于設(shè)定值或發(fā)生故障時(shí),第2臺(tái)空氣壓縮機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)
氨氣蒸發(fā)器
氨氣蒸發(fā)器與儲(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)的壓力控制加熱器。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力低于設(shè)定壓力時(shí),加熱器通電加熱液氨;加熱器過熱則斷電保護(hù)。
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(jìn)行選擇性反應(yīng)，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(yīng)生成N2和水，該技術(shù)以爐膛為反應(yīng)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(yīng)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(gè)基本過程完成：
接收和儲(chǔ)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(jì)量輸出、與水混合稀釋；還原劑與煙氣混合進(jìn)行脫硝反應(yīng)。
3、技術(shù)特點(diǎn)
技術(shù)成熟可靠，還原劑有效利用率高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定 設(shè)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(shí)NO生成氮?dú)夂退魵猓?nbsp;
NH2+NO <=> H2O+N2
當(dāng)使用含氨化合物的水溶液時(shí)，化合物分解就會(huì)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(yīng)選擇性并不是很強(qiáng)。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(shí)化學(xué)配比因子NSR與NOx脫除量的關(guān)系。
5、流程設(shè)計(jì)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(shè)置一個(gè)較大的儲(chǔ)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(chǔ)存位置附近將不會(huì)有有氣體逸出。儲(chǔ)罐中放置一個(gè)夾層箱或貯存 箱足夠使用。如果設(shè)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?yán)脡嚎s氣來卸液。當(dāng)往NOx脫除車 間輸送脫除添加劑時(shí)，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(yīng)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(shí)，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(shí)，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(dǎo)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(jìn)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(shè)計(jì)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(yīng)熱量與稀釋水蒸發(fā)熱量相當(dāng)。
SNCR和SCR的區(qū)別
SNCR 的反應(yīng)劑采用爐膛內(nèi)噴射，不需特殊預(yù)留空間。SNCR 不采用催化劑系統(tǒng)不存在壓力損失且不會(huì)對下游設(shè)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(diǎn)。
*，SNCR 和SCR zui大的不同在于脫硝過程中不使用催化劑，且不導(dǎo)致SO2 /SO3氧化，故造成空預(yù)器堵塞的機(jī)會(huì)非常小。
第二，整個(gè)過程沒有壓力損失，因此不需提高引風(fēng)機(jī)壓頭，特別是改造機(jī)組不需對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，既節(jié)省了投資又縮短了建設(shè)工期。
第三，SNCR 所需設(shè)備占地面積小，且相對于SCR設(shè)備簡單，施工量減少，縮短了工程實(shí)施時(shí)間，對于改造機(jī)組而言，在場地限制較大的情況下更便于工程實(shí)施。
第 四，SNCR 工藝整個(gè)還原過程在鍋爐內(nèi)部進(jìn)行，不需要另外設(shè)立反應(yīng)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(yīng)提供了能量，使NOX在這里被還原。反應(yīng)器、反應(yīng)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(hù)工作。
下面對兩種脫硝技術(shù)進(jìn)行簡單對比。
1.脫硝效率、工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用
低 碳燃燒技術(shù)的脫硝效率約在25% ～40%，工程造價(jià)較低，運(yùn)行費(fèi)用較低; SNCR 技術(shù)的脫硝效率約在25% ～40%，工程造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用中等; LNB +SNCR 技術(shù)脫硝效率約在40% ～70%，工程造價(jià)中等，運(yùn)行費(fèi)用中等; SCR 技術(shù)脫硝效率在80% ～90%，工程造價(jià)較高，運(yùn)行費(fèi)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(yīng)溫度在320℃ ～400℃，SNCR 反應(yīng)溫度在850℃ ～1250℃。SCR 的噴射位置多選在省煤器與SCR反應(yīng)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(yù)器造成堵塞，并且因?yàn)榇呋瘎┑拇嬖谑瓜到y(tǒng)的壓力損失增大。因催化劑的存在必須預(yù)留足夠的空間架設(shè)支撐結(jié) 構(gòu)。SNCR 的反應(yīng)劑采用爐膛內(nèi)噴射，不需特殊預(yù)留空間。SNCR 不采用催化劑系統(tǒng)不存在壓力損失且不會(huì)對下游設(shè)備造成影響。
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